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北京新机场结构后浇带施工控制

潘旦光 付相球 谭晋鹏 鲍占博 段先军 雷素素

潘旦光, 付相球, 谭晋鹏, 鲍占博, 段先军, 雷素素. 北京新机场结构后浇带施工控制[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 145-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025
引用本文: 潘旦光, 付相球, 谭晋鹏, 鲍占博, 段先军, 雷素素. 北京新机场结构后浇带施工控制[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 145-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025
Dan-guang PAN, Xiang-qiu FU, Jin-peng TAN, Zhan-bo BAO, Xian-jun DUAN, Su-su LEI. CONSTRUCTION CONTROL OF STURCTURAL POST-CASTING BELTS OF BEJING NEW AIRPORT[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 145-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025
Citation: Dan-guang PAN, Xiang-qiu FU, Jin-peng TAN, Zhan-bo BAO, Xian-jun DUAN, Su-su LEI. CONSTRUCTION CONTROL OF STURCTURAL POST-CASTING BELTS OF BEJING NEW AIRPORT[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 145-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025

北京新机场结构后浇带施工控制

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025
基金项目: 土木工程防灾国家重点实验室开放基金项目(SLDRCE15-01)
详细信息
    作者简介:

    付相球(1994−),男,江西人,博士生,主要从事土木工程防灾减灾研究(E-mail: b20180019@xs.ustb.edu.cn)

    谭晋鹏(1977−),男,湖南人,教授级高工,硕士,主要从事土木工程防灾减灾研究(E-mail: 15810384069@163.com)

    鲍占博(1992−),男,河北人,硕士,主要从事土木工程防灾减灾研究(E-mail: superbzb@163.com)

    段先军(1972−),男,湖北人,教授级高工, 硕士,主要从事土木工程研究(E-mail: 1661532600@qq.com)

    通讯作者: 潘旦光(1974−),男,浙江人,教授,博士,博导,主要从事土木工程防灾减灾研究(E-mail: pdg@ustb.edu.cn)
  • 中图分类号: TU755

CONSTRUCTION CONTROL OF STURCTURAL POST-CASTING BELTS OF BEJING NEW AIRPORT

  • 摘要: 北京新机场航站楼核心区一层为437 m×565 m超大型单块混凝土板,由1152个隔震支座支撑。混凝土板由宽度4 m~4.5 m的结构后浇带分为11个区进行施工。为减小结构后浇带封闭施工对隔震支座水平位移的影响,基于航站楼温度场的分布模型及不同区域温度随时间的变化规律,研究了不同后浇带封闭顺序及施工进度下结构温度变形的变化规律。研究结果表明:在相同温度场分布下,后浇带封闭顺序对隔震支座最大水平位移影响很小;后浇带的施工进度对隔震支座位移的影响明显,存在最优施工进度,采用10天一个施工步的施工速度,隔震支座的位移最小。
  • 图  1  新机场效果图

    Figure  1.  Picture of New airport with special efficacy

    图  2  后浇带分布图

    Figure  2.  Distribution map of post-cast belts

    图  3  简化温度分区

    Figure  3.  The partitions of simplified temperature field

    图  4  有限元模型

    Figure  4.  Finite element model

    图  5  4种后浇带封闭方案

    Figure  5.  Four closing sequences of the post-casting belts

    图  6  四种封闭方案后浇带封闭结束时位移图 /mm

    Figure  6.  The distributions of displacements of four closing sequences after the closure of the post-casting belts

    图  7  四种封闭方案正常使用状态下位移图 /mm

    Figure  7.  The distributions of displacements of four closing sequences in regular service stages

    图  8  阶段一的计算流程图

    Figure  8.  The calculation flowchart of step one

    表  1  各区温度随时间的变化

    Table  1.   The variations of the temperature with time in different regions

    区域 拟合结果
    S区 ${T_{\rm{S}}} = 14.85 + 0.25N$
    M区 ${T_{\rm{M}}} = 7.9 + 0.224N$
    N-W区 ${T_{{\rm{NW}}}} = 11.442 + 0.217N$
    N-E区 ${T_{{\rm{NE}}}} = 8.512 + 0.214N$
    P-W区 ${T_{{\rm{PW}}}} = 10.236 + 0.208N$
    P-E区 ${T_{{\rm{PE}}}} = 7.042 + 0.221N$
    B区 ${T_{\rm{B}}} = 5.071 + 0.189N$
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    表  2  不同施工方案最大水平位移

    Table  2.   The maximum horizontal displacements of various construction schemes /mm

    方案 第8步 正常使用状态
    方案一 20.27 41.06
    方案二 19.99 40.63
    方案三 18.68 38.12
    方案四 18.72 38.18
    均值 19.41 39.50
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    表  3  不同施工方案最大水平位移

    Table  3.   The maximum horizontal displacement of different construction schemes /mm

    阶段 5 d 10 d 15 d
    阶段一 15.5 15.5 15.5
    阶段二 46 46 46
    阶段三 41.2 39.7 45.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-25
  • 修回日期:  2020-02-11
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

北京新机场结构后浇带施工控制

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025
    基金项目:  土木工程防灾国家重点实验室开放基金项目(SLDRCE15-01)
    作者简介:

    付相球(1994−),男,江西人,博士生,主要从事土木工程防灾减灾研究(E-mail: b20180019@xs.ustb.edu.cn)

    谭晋鹏(1977−),男,湖南人,教授级高工,硕士,主要从事土木工程防灾减灾研究(E-mail: 15810384069@163.com)

    鲍占博(1992−),男,河北人,硕士,主要从事土木工程防灾减灾研究(E-mail: superbzb@163.com)

    段先军(1972−),男,湖北人,教授级高工, 硕士,主要从事土木工程研究(E-mail: 1661532600@qq.com)

    通讯作者: 潘旦光(1974−),男,浙江人,教授,博士,博导,主要从事土木工程防灾减灾研究(E-mail: pdg@ustb.edu.cn)
  • 中图分类号: TU755

摘要: 北京新机场航站楼核心区一层为437 m×565 m超大型单块混凝土板,由1152个隔震支座支撑。混凝土板由宽度4 m~4.5 m的结构后浇带分为11个区进行施工。为减小结构后浇带封闭施工对隔震支座水平位移的影响,基于航站楼温度场的分布模型及不同区域温度随时间的变化规律,研究了不同后浇带封闭顺序及施工进度下结构温度变形的变化规律。研究结果表明:在相同温度场分布下,后浇带封闭顺序对隔震支座最大水平位移影响很小;后浇带的施工进度对隔震支座位移的影响明显,存在最优施工进度,采用10天一个施工步的施工速度,隔震支座的位移最小。

English Abstract

潘旦光, 付相球, 谭晋鹏, 鲍占博, 段先军, 雷素素. 北京新机场结构后浇带施工控制[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 145-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025
引用本文: 潘旦光, 付相球, 谭晋鹏, 鲍占博, 段先军, 雷素素. 北京新机场结构后浇带施工控制[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 145-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025
Dan-guang PAN, Xiang-qiu FU, Jin-peng TAN, Zhan-bo BAO, Xian-jun DUAN, Su-su LEI. CONSTRUCTION CONTROL OF STURCTURAL POST-CASTING BELTS OF BEJING NEW AIRPORT[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 145-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025
Citation: Dan-guang PAN, Xiang-qiu FU, Jin-peng TAN, Zhan-bo BAO, Xian-jun DUAN, Su-su LEI. CONSTRUCTION CONTROL OF STURCTURAL POST-CASTING BELTS OF BEJING NEW AIRPORT[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 145-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S025
  • 近年来,超大型混凝土结构如机场、地下室等常见于各类基础设施中,其中温度变化、混凝土收缩等均会引起结构的应力和变形,且结构越长,应力与变形越容易超过容许值[1]。隔震支座是目前工程中应用最多的一种减震控制技术,其易于实施、减震控制效果好,正受到越来越多国家的重视[2-3],国内外学者对隔震支座的性能及应用做了许多有价值的研究[4-6]。对于超大型混凝土隔震结构,研究表明环境温度与隔震支座水平位移具有较强相关性[7],非载荷(温度)变形导致结构产生较大的应力,使隔震支座在施工期和运营初期产生较大的初始水平位移,进而对隔震结构的性能产生较大影响[8]

    后浇带作为处理结构温度荷载所导致不利变形的一种行之有效的方法,在施工过程中得到了广泛应用[9]。全学友等[10]研究了后浇带的设置方案对抗裂效果的影响,结果表明连续钢筋数量、后浇带宽度以及连续钢筋重心位置对约束拉力的大小有明显影响;窦远明等[11]研究了主裙楼建筑后浇带力学性能和封闭时机,得出不同施工顺序会导致主裙楼筏板沉降差异发展速率不同的结论,从而为后浇带提前封闭提供可能。杜永峰等[12]对某超长复杂隔震结构的施工进行了监测研究,分析了最不利温差作用下的隔震支座位移及施工阶段梁挠度的变化规律,初步给出了后浇带的合理布置方案。对于超大型混凝土隔震结构,由于环境温度的变化,后浇带的施工还会影响隔震支座的初始水平位移,进而对结构的安全性产生不利影响。

    为减小后浇带封闭施工对隔震支座水平位移的影响,针对北京新机场航站楼核心区超大型混凝土隔震结构的后浇带封闭施工,基于航站楼温度场及有限元模型,研究了不同后浇带封闭顺序及施工进度下隔震支座水平位移的变化规律,为后浇带的封闭施工提供可行的方案。

    • 北京新机场位于永定河北岸,北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间,整个北京新机场呈现为“海星型”,效果图如图1所示,其中航站楼建筑总面积约60万平方米,南北长437 m,东西方向宽565 m,由中央大厅和东北、东南、西北、西南及南侧5个指廊组成,地下两层,地上五层。为表述方便,将中央大厅地下两层记为B1、B2层,地上结构从下往上依次记为F1、F2、F3、F4、F5层。主体结构为现浇钢筋混凝土框架结构,混凝土柱网为9 m×9 m、9 m×18 m和18 m×18 m。地下B1层设置直径1200 mm、1300 mm、1500 mm大直径高性能隔震支座总数量1152套,隔震层单层建筑面积18万平方米,如此超大面积超大规模使用超大直径的橡胶隔震支座和弹性滑板支座在国内尚属首次。结构平面超长超宽,温度作用巨大。由于混凝土板尺寸太大,为减少施工阶段温度变形的影响,150 m左右间隔设置了4 m~5 m的结构后浇带,将混凝土板分为11个区,结构后浇带分布如图2所示。

      图  1  新机场效果图

      Figure 1.  Picture of New airport with special efficacy

      图  2  后浇带分布图

      Figure 2.  Distribution map of post-cast belts

      隔震层平面超长超宽,温度作用大,不当的后浇带封闭方案会导致过大的隔震支座初始水平。根据建筑工程叠层橡胶隔震支座施工及验收规范(DBJ53/T-48 − 2012)[13]直径900 mm和1000 mm以上的隔震支座,施工期间法兰板上下支座相对水平位移限值为50 mm。为了控制隔震支座的相对位移,保证隔震支座的正常使用,需要控制后浇带封闭施工,选择合适的封闭顺序及施工进度。

    • 为研究温度作用下后浇带的施工控制,需要建立施工期间航站楼的温度场模型。基于日照因素及结构分布对航站楼温度分布的影响,对航站楼进行简化分区如图3所示[14]。其中:1) S区:是指阳光直射混凝土区。这类混凝土主要包含屋顶、露台等没有遮挡的混凝土。2) M区:是指白天不受阳光直射的地上各层内部混凝土。3) N-W区:F1层西侧部分阳光直射区,是指受阳光入射角的影响,每天部分时间受阳光直射的区域。4) N-E区:F1层东侧部分阳光直射区。5) P-W区:F1层西侧过渡区,在部分阳光直射混凝土和室内混凝土之间,有一个过渡区,以反映边缘混凝土到室内混凝土温度的逐步变化。6) P-E区:F1层东侧过渡区。7) B区:B1层室内混凝土。

      图  3  简化温度分区

      Figure 3.  The partitions of simplified temperature field

      根据航站楼核心区的温度场分区,首先进行类似工程不同分区混凝土温度变化的实测。实测结果表明不同区域每日最高温从冬季到夏季近似线性增加,从夏季到冬季近似线性降低,和时间存在一定的线性相关性[14]。从冬季到夏季,混凝土温度实测结果线性回归的温度变化规律如表1所示。表中N为距2016年2月27日的天数, ${T_{\rm{S}}}$ ${T_{\rm{M}}}$ ${T_{{\rm{NW}}}}$ ${T_{{\rm{NE}}}}$ ${T_{{\rm{PW}}}}$ ${T_{{\rm{PE}}}}$ ${T_{\rm{B}}}$ 分别为S区、M区、N-W区、N-E区、P-W区、P-E区和B区的混凝土温度,并以此作为航站楼有限元模型温度荷载。

      表 1  各区温度随时间的变化

      Table 1.  The variations of the temperature with time in different regions

      区域 拟合结果
      S区 ${T_{\rm{S}}} = 14.85 + 0.25N$
      M区 ${T_{\rm{M}}} = 7.9 + 0.224N$
      N-W区 ${T_{{\rm{NW}}}} = 11.442 + 0.217N$
      N-E区 ${T_{{\rm{NE}}}} = 8.512 + 0.214N$
      P-W区 ${T_{{\rm{PW}}}} = 10.236 + 0.208N$
      P-E区 ${T_{{\rm{PE}}}} = 7.042 + 0.221N$
      B区 ${T_{\rm{B}}} = 5.071 + 0.189N$
    • 航站楼的有限元模型如图4所示,模型中混凝土板采用板单元进行分析,梁和柱采用梁单元进行分析,其中模型共包含梁单元40291个,板单元17097个,共24050个结点。模型中主要采用C40混凝土,混凝土的弹性模量为3.25×104 MPa,泊松比0.2,线膨胀系数为1×10−5−1。钢材主要为Q345钢筋,弹性模量为2.06×105 MPa,泊松比0.3,线膨胀系数为1.2×10−5−1。采用钝化设置结构后浇带,然后用激活表示结构后浇带的封闭,模拟航站楼各层混凝土板和后浇带的施工。基于现场B1层隔震支座位移的监测[15],有限元模型的计算位移略大于实测位移,但变形规律一致,表明航站楼温度分布模型和有限元模型是合理的。

      图  4  有限元模型

      Figure 4.  Finite element model

    • 各分区结构混凝土浇筑完成后,根据施工进度安排,结构后浇带从2017年2月开始封闭,随着施工进度的推进,环境温度逐步升高,混凝土板的温度也会相应地升高,将导致隔震支座位移发生显著变化。为研究结构后浇带封闭顺序对隔震支座位移的影响,对比了图5所示4种不同后浇带封闭顺序下支座的最大位移,图中的数字即为后浇带封闭的顺序,其中:方案一先封闭东西向后浇带,再封闭南北向后浇带,且先周边后中间;方案二先封闭东西向后浇带,再封闭南北向后浇带,且先中间后周边;方案三先封闭南北向后浇带,再封闭东西向后浇带,且先中间后周边;方案四先连接面积较小区块,最后封闭较大区块。由于F1层对隔震支座的位移影响最大,因此,将F1层单独计算,上部楼层F2层~F5后浇带同一区域一起封闭进行简化计算。即四种方案中,F2层~F5的后浇带封闭顺序同F1,四层相同位置的结构后浇带同时封闭。

      图  5  4种后浇带封闭方案

      Figure 5.  Four closing sequences of the post-casting belts

      采用图3的温度场分布模型及表1的温度变化规律,后浇带封闭分八个施工步进行,然后,进入正常使用阶段。即:

      初始状态:结构封顶,B1层后浇带完成,F1层~F5层后浇带未封闭;

      第1步:浇筑F1层①段后浇带;

      第2步:浇筑F1层②段后浇带;

      第3步:浇筑F1层③段后浇带;

      第4步:浇筑F1层④段后浇带;

      第5步:浇筑F2层~F5层对应①段后浇带;

      第6步:浇筑F2层~F5层对应②段后浇带;

      第7步:浇筑F2层~F5层对应③段后浇带;

      第8步:浇筑F2层~F5层对应④段后浇带;

      正常使用状态,室内混凝土温度25 ℃。

      根据现场的施工条件,假定每一步封闭历时5 d,按5 d的间隔时间计算对应的分区的温度,计算过程中考虑变形的积累,完成封闭后再考虑达到正常使用状态。计算得到后浇带封闭结束时即第八步完成时F1层水平位移云图如图6所示,正常使用状态时四种封闭方案下的F1层水平位移云图如图7所示。第8步与正常使用状态F1层最大水平位移如表2所示。

      表 2  不同施工方案最大水平位移

      Table 2.  The maximum horizontal displacements of various construction schemes /mm

      方案 第8步 正常使用状态
      方案一 20.27 41.06
      方案二 19.99 40.63
      方案三 18.68 38.12
      方案四 18.72 38.18
      均值 19.41 39.50

      图  6  四种封闭方案后浇带封闭结束时位移图 /mm

      Figure 6.  The distributions of displacements of four closing sequences after the closure of the post-casting belts

      图  7  四种封闭方案正常使用状态下位移图 /mm

      Figure 7.  The distributions of displacements of four closing sequences in regular service stages

      通过图6图7表2的计算结果可知,在相同分布和变化率的温度场下,采取不同的后浇带封闭顺序,隔震支座水平位移的分布差异很小,最大水平位移非常接近,与四种方案的均值的差异均在5%以内。这表明后浇带的封闭施工顺序对隔振支座最大水平位移影响较小,可以忽略封闭顺序的影响。

    • 由于后浇带的封闭顺序对隔震支座的水平位移影响不大,因此分析施工进度的影响时可任意选取封闭顺序,下面采用方案一的封闭顺序,从冬季开始施工,分析每个施工步历时5 d、10 d、15 d三种施工进度的影响。考虑工程的实际施工状况,F1层浇筑时混凝土的温度设为33.9 ℃,分三个阶段进行计算:

      阶段一:浇筑温度为33.9 ℃,逐层施工;

      阶段二:经过冬季降温,后浇带尚未浇筑;

      阶段三:按方案一封闭顺序和结构后浇带不同的施工进度完成后浇带封闭;

      在阶段一逐层施工时,施工层由于上部没有遮挡,因此,全部采用S区的温度。当上层结构施工完成后,则采用图3的温度分布模型。即阶段一的计算流程图如图8所示。

      图  8  阶段一的计算流程图

      Figure 8.  The calculation flowchart of step one

      结构后浇带不同施工进度下的F1层最大水平位移如表3所示。由表3可以看出,若封闭速度过快,如5 d一个施工步,形成整体后再整体升温,后浇带施工过程中的整体变形较大;若本项目封闭速度较慢,如15 d一个施工步,分块存在较大的变形积累,再整体升温后,同样存在变形过大的问题。因此,存在一个最优施工进度的问题。从计算结果看,采用10 d一个施工步的施工速度,施工期间隔震支座的位移最小,且不大于相关规范的50 mm限值。

      表 3  不同施工方案最大水平位移

      Table 3.  The maximum horizontal displacement of different construction schemes /mm

      阶段 5 d 10 d 15 d
      阶段一 15.5 15.5 15.5
      阶段二 46 46 46
      阶段三 41.2 39.7 45.5
    • 根据类似工程温度场的监测作为新机场航站楼温度场不同区域温度变化的依据,进行北京新机场航站楼结构后浇带封闭顺序和施工进度对隔震支座位移影响的研究。通过计算分析,可得出以下结论:

      (1)不同结构后浇带封闭顺序引起隔震支座水平位移最大值的差异小于5%,因此,可忽略结构后浇带封闭顺序对隔振支座位移的影响。

      (2)后浇带的施工进度显著影响隔震支座的最大位。最大位移和施工进度不是线性关系,存在最优施工进度。对于在冬季低温条件下开始新机场结构后浇带封闭的情况,采用10 d一个施工步的施工速度,隔震支座的位移最小,可使隔震支座施工期间的位移小于50 mm。

参考文献 (15)

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