氣膜法施工鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)技術(shù)

張 利，吳 贊

(1.中煤建筑安裝工程集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056002； 2.中煤第六十八工程有限公司，山東 鄒城 273500)

殼體結(jié)構(gòu)是由空間曲面板或加邊緣構(gòu)件的空間曲面板組成的空間曲面結(jié)構(gòu)，具有很好的空間力學(xué)性能，能以較小的構(gòu)件厚度形成大跨度的空間結(jié)構(gòu)，具有承載能力高、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，殼體兼承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的雙重作用，可以節(jié)約結(jié)構(gòu)材料。目前一般采用鋼結(jié)構(gòu)建造大跨度空間結(jié)構(gòu)，如國(guó)家大劇院。

鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)受力均勻合理，能充分利用混凝土抗壓強(qiáng)度，節(jié)省材料，自重小，也可以實(shí)現(xiàn)大跨度，比鋼結(jié)構(gòu)工程耐久性好，運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用低，如北京火車站雙曲屋面。但是鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)模板及支撐體系復(fù)雜，模板材料消耗多，工效低，施工難度大，影響了鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。人們先后采用多種方法建造鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)工程，如土模法、支模法、預(yù)制裝配法等，本文結(jié)合一些案例論述利用氣膜法施工鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

1 氣膜法施工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)

氣膜法施工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是以充氣膜作為外模，在膜體內(nèi)側(cè)綁扎鋼筋、噴射混凝土，完成殼體結(jié)構(gòu)?？梢詫⒃摷夹g(shù)理解為充氣膜結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)用，該技術(shù)解決了空間殼體體型復(fù)雜，現(xiàn)澆施工時(shí)模板支設(shè)材料、人工耗費(fèi)多，施工難度大的缺點(diǎn)。利用該技術(shù)已在我國(guó)建設(shè)了十多個(gè)鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)工程。對(duì)于利用氣膜法施工的鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)，目前在國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)稱氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程適用于煤炭、水泥、糧食等各種物料的儲(chǔ)存，也適用于場(chǎng)館、辦公樓、別墅等民用設(shè)施。建筑物外形主要為半球形、半橢球形、圓柱與半球形組合體，或者是扁球殼。目前國(guó)內(nèi)已施工的跨度最大的氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程為中煤大屯“上大壓小”新建項(xiàng)目輸煤系統(tǒng)圓形煤場(chǎng)，該圓形煤場(chǎng)跨度71.3m，高度39.15m，0～3.5m段為圓筒，3.5～39.15m段為標(biāo)準(zhǔn)半圓球，殼壁混凝土厚度自下而上由600mm厚漸變?yōu)?00mm厚，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

2 氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程主要施工工藝

氣膜鋼筋混凝土薄殼由氣膜、聚氨酯泡沫層、鋼筋混凝土殼壁組成。施工過(guò)程包括：先吹膜成型，然后噴射聚氨酯，最后在氣膜內(nèi)部施工鋼筋混凝土殼壁。

2.1 主要工藝流程

施工環(huán)形基礎(chǔ)、在工廠內(nèi)加工充氣膜→將充氣膜安裝在環(huán)形基礎(chǔ)上、充氣膜充氣→在充氣膜內(nèi)側(cè)噴涂聚氨酯層→分層綁扎鋼筋、噴射混凝土→開(kāi)洞，施工設(shè)備出倉(cāng)。

2.2 主要工序施工工藝

1)基礎(chǔ)施工。氣膜鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)工程的基礎(chǔ)一般為環(huán)形基礎(chǔ)，采用傳統(tǒng)工藝施工，環(huán)形基礎(chǔ)施工后，室內(nèi)回填土，澆筑混凝土地面墊層，為后續(xù)充氣膜展開(kāi)、充氣膜充氣等工序提供平整、堅(jiān)實(shí)的工作面。

2)安裝充氣膜并充氣。在工廠加工充氣膜，將加工好的充氣膜在基礎(chǔ)環(huán)梁內(nèi)側(cè)展開(kāi)，固定在環(huán)形基礎(chǔ)上，采用風(fēng)機(jī)充氣，吹至預(yù)定壓力后，保持氣壓穩(wěn)定。

3)在氣膜內(nèi)壁噴涂聚氨酯層。聚氨酯層起到增加氣膜剛度，與氣膜共同發(fā)揮模板的作用。聚氨酯層一般需噴涂3～4遍，噴射2遍后，在聚氨酯層上埋設(shè)鋼筋標(biāo)簽，繼續(xù)噴射聚氨酯至設(shè)計(jì)厚度。

4)在聚氨酯層內(nèi)壁綁扎鋼筋，噴混凝土構(gòu)造層。構(gòu)造層具有增加模板剛度，減少混凝土噴射過(guò)程變形的作用，當(dāng)工程跨度較大時(shí)一般要設(shè)置構(gòu)造層。構(gòu)造層一般需配置鋼筋，間距宜為600mm，采用預(yù)埋在聚氨酯層的鋼筋標(biāo)簽固定，構(gòu)造層混凝土一般為40mm厚。

5)結(jié)構(gòu)層施工。按“自下向上、分層交圈、底部厚、上部薄、逐層推進(jìn)”的原則施工結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)層通常配置多層鋼筋，施工時(shí)綁扎一層鋼筋，噴射一層混凝土，每層混凝土需多次噴射完畢，直至將殼壁施工完成。

6)開(kāi)洞。在完成的鋼筋混凝土殼壁上切割永久洞口及臨時(shí)洞口，將施工設(shè)備從工程內(nèi)部開(kāi)出。

3 氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 合理確定充氣壓力，并保持穩(wěn)定的壓力

充氣壓力直接影響氣膜剛度，進(jìn)而影響混凝土噴射過(guò)程殼壁的變形。充氣壓力小，氣膜剛度小，噴射混凝土?xí)r有可能造成殼壁變形嚴(yán)重不均勻，局部凹凸；充氣壓力大，氣膜剛度大，噴射混凝土過(guò)程殼壁變形小，但是充氣過(guò)程氣膜變形大，需要?dú)饽ぞ哂休^高的抗拉強(qiáng)度。因此確定充氣壓力要綜合考慮膜材抗拉強(qiáng)度、殼體尺寸、施工變形等因素。

穩(wěn)定的氣壓是施工成敗的關(guān)鍵，氣膜內(nèi)的空氣是施工荷載支撐，如果氣壓不穩(wěn)，可能造成施工中殼壁的坍塌。保證氣壓穩(wěn)定的關(guān)鍵是充氣設(shè)備的性能穩(wěn)定，充氣風(fēng)機(jī)等設(shè)備必須有備用品；另外應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理，控制進(jìn)出氣倉(cāng)人員數(shù)量及頻次，及時(shí)關(guān)閉進(jìn)出氣倉(cāng)通道門。

3.2 合理布置鋼筋，保證鋼筋位置準(zhǔn)確

氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)空間尺度較大，殼壁厚度隨高度不斷變化，在殼體不同部位鋼筋規(guī)格、間距不同。因此，應(yīng)在鋼筋綁扎前在殼體內(nèi)基層上用彩筆標(biāo)識(shí)各區(qū)域鋼筋規(guī)格、間距變化的分界線，根據(jù)放樣尺寸進(jìn)行鋼筋下料。豎向鋼筋沿徑線布置，每段起點(diǎn)按設(shè)計(jì)間距綁扎，每段終點(diǎn)間距自然縮小，上段搭接時(shí)再按設(shè)計(jì)間距重新布置；水平鋼筋按緯線布置，按設(shè)計(jì)間距自下向上推進(jìn)綁扎。殼頂部中心6m直徑范圍內(nèi)按正交方格布置。

另外，如果殼體厚度較薄，鋼筋位置對(duì)殼體受力影響較大，為保證殼體受力符合設(shè)計(jì)要求，必須嚴(yán)格控制鋼筋位置，各層鋼筋均應(yīng)貼緊基層綁扎牢固，豎向、水平鋼筋交叉點(diǎn)應(yīng)全部綁扎。

3.3 采用合理的鋼筋搭接方式，保證鋼筋搭接長(zhǎng)度

豎向受力鋼筋連接采用非接觸搭接，接頭設(shè)在同一標(biāo)高截面上，如圖1所示。

圖1 豎向鋼筋搭接方式示意

水平受力鋼筋連接采用綁扎搭接，水平鋼筋搭接采用平行搭接。接頭位置分區(qū)段錯(cuò)開(kāi)，每個(gè)區(qū)段的高度宜為1800mm，兩個(gè)接頭中心線的距離至少大于1/3的鋼筋長(zhǎng)度。

氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)殼壁鋼筋搭接長(zhǎng)度比傳統(tǒng)鋼筋混凝土工程鋼筋搭接長(zhǎng)度大，應(yīng)嚴(yán)格按《氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程施工與驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定的搭接長(zhǎng)度進(jìn)行施工。

3.4 嚴(yán)格控制混凝土分層噴射厚度及殼壁總厚度

殼壁混凝土采用噴射工藝施工，混凝土噴射厚度控制難度較大，混凝土噴射應(yīng)由經(jīng)考核合格的技術(shù)工人進(jìn)行施工。

殼壁總厚度應(yīng)采用厚度標(biāo)尺進(jìn)行標(biāo)定。按殼壁不同部位的厚度利用鋼筋制作混凝土厚度標(biāo)尺，在聚氨酯層噴射后，將厚度標(biāo)尺牢固固定在構(gòu)造層鋼筋網(wǎng)片上，厚度變化分界線兩側(cè)應(yīng)適當(dāng)加密厚度標(biāo)尺。噴射混凝土?xí)r，按厚度標(biāo)尺控制殼壁厚度。

嚴(yán)格控制混凝土分層噴射厚度?；炷翍?yīng)按鋼筋分層，每層分次噴射，噴射厚度對(duì)殼體變形影響較大，一次噴射厚度過(guò)厚可能造成殼壁較大變形，甚至造成殼體整體失穩(wěn)，應(yīng)嚴(yán)格控制每層混凝土噴射厚度。噴射殼體直壁段混凝土?xí)r，可以一次噴射將鋼筋覆蓋；噴射穹頂段時(shí)，一次噴射厚度宜為10～30mm，開(kāi)始噴射時(shí)噴射厚度可按10mm控制，當(dāng)基層混凝土已達(dá)一定厚度，殼體具備較大承載能力時(shí)，可按30mm控制每次噴射厚度。

3.5 施工變形測(cè)量與控制

在混凝土噴射過(guò)程中，殼體將產(chǎn)生一定的變形。殼體變形基本規(guī)律為：噴射混凝土區(qū)域產(chǎn)生豎直向下變形，周圍未噴射混凝土區(qū)域一般產(chǎn)生豎直向上變形；在聚氨酯基層上首次噴射混凝土?xí)r氣膜變形較大，在已噴射混凝土的基層上再次噴射混凝土?xí)r，變形較?。换炷练謱訃娚浜穸容^小時(shí)，殼壁變形較小，分層噴射厚度較大時(shí)，殼壁變形較大。

為及時(shí)掌握施工過(guò)程殼體變形情況，在施工過(guò)程中應(yīng)每天觀測(cè)殼體變形。觀測(cè)方法為：在殼體內(nèi)壁布置觀測(cè)點(diǎn)，用全站儀觀測(cè)觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，得出殼體變形情況，對(duì)變形異常的點(diǎn)應(yīng)分析原因，加密觀測(cè)頻次。

4 氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究方向

在國(guó)內(nèi)，氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程技術(shù)是一項(xiàng)新的技術(shù)，雖然對(duì)其開(kāi)展了一些研究，但總體上，應(yīng)用該技術(shù)的工程案例較少，技術(shù)積累較少，筆者認(rèn)為在氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及研究中還需要繼續(xù)對(duì)以下幾個(gè)課題進(jìn)行探索。

4.1 聚氨酯與膜材組成的復(fù)合模板的受力性能

聚氨酯、膜材、壓力空氣發(fā)揮模板及支撐的作用，復(fù)合模板的強(qiáng)度、剛度、變形特點(diǎn)直接影響殼壁變形，目前對(duì)該種復(fù)合模板的強(qiáng)度、剛度、變形特點(diǎn)研究的不多，沒(méi)有成熟的資料，應(yīng)繼續(xù)對(duì)復(fù)合模板強(qiáng)度、剛度、變形、受力特點(diǎn)進(jìn)行研究，采取措施提高復(fù)合模板承載能力，減少殼體變形。

4.2 施工過(guò)程變形分析計(jì)算

氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程的施工過(guò)程是不斷噴射混凝土，同時(shí)殼體承載力不斷增長(zhǎng)的過(guò)程。在施工過(guò)程中殼體荷載與殼體承載能力動(dòng)態(tài)變化、相互影響，殼體結(jié)構(gòu)的受力工況不斷變化。因此必須認(rèn)真研究混凝土噴射加載與殼體承載力、變形發(fā)展之間的關(guān)系，局部變形與整體變形的關(guān)系，并利用這些規(guī)律指導(dǎo)施工，對(duì)該規(guī)律的研究必須達(dá)到準(zhǔn)確理論計(jì)算的水平。

施工過(guò)程變形分析計(jì)算遠(yuǎn)比成型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，主要涉及到施工方案策劃，不同齡期混凝土材料強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等的合理取值。基于殼壁噴射混凝土施工的動(dòng)態(tài)性，施工過(guò)程中殼壁受力性質(zhì)變化、殼壁承載力增長(zhǎng)、新噴混凝土荷載大小與部位變化、殼壁變形發(fā)展的相互關(guān)聯(lián)性，施工過(guò)程變形分析計(jì)算量非常大，必須開(kāi)發(fā)適用軟件進(jìn)行計(jì)算。開(kāi)展這項(xiàng)工作需有能力的設(shè)計(jì)院或大學(xué)與施工單位密切合作，收集大量工程施工的噴射變形數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)修正完善計(jì)算程序，最終達(dá)到可以精確計(jì)算施工變形的效果。

當(dāng)突破原有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工時(shí)，利用已有經(jīng)驗(yàn)不能確保施工變形可控時(shí)應(yīng)利用軟件對(duì)策劃的施工方案進(jìn)行施工變形模擬，只有變形是均勻的、連續(xù)的，結(jié)構(gòu)可承受的，才可進(jìn)行工程施工。

5 結(jié) 論

氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)解決了鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)支模難題，將有力推進(jìn)鋼筋混凝土薄殼技術(shù)的推廣應(yīng)用。其主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

1)保證充氣設(shè)備可靠運(yùn)行，保持施工過(guò)程氣壓的穩(wěn)定，宜將施工過(guò)程氣壓波動(dòng)控制在50Pa以內(nèi)。

2)加強(qiáng)混凝土噴射施工管理，嚴(yán)格控制施工過(guò)程變形，關(guān)鍵是控制混凝土一次噴射厚度。

3)當(dāng)突破原有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工時(shí)，必須對(duì)施工方案進(jìn)行殼體變形模擬，將變形控制在允許范圍內(nèi)，局部過(guò)大變形有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。

4)應(yīng)對(duì)聚氨酯與膜材組成的復(fù)合模板的受力性能、施工過(guò)程變形分析計(jì)算的方法與軟件開(kāi)發(fā)繼續(xù)開(kāi)展研究，不斷完善該項(xiàng)技術(shù)。