大跨度井格拱形混凝土结构施工工艺

摘要：北京城市副中心三大建筑项目地下中央大厅为大跨度井格拱形混凝土结构，最大跨度47.5m，最大高度16m，由18根不同角度斜交的拱形主梁组成骨架，300mm厚弧形双向板作为屋面覆盖。为保证施工安全及成型效果，对支撑体系设置、模板排版与安装、钢筋排布与绑扎、混凝土对称分层分段浇筑等方面进行研究，确保了大跨度井格拱形混凝土结构浇筑成型质量，为类似大跨度、大空间现浇拱形结构的施工提供参考和借鉴。

关键词：大跨度拱形结构 支撑体系 模板排版 混凝土对称浇筑

一、印言

大跨度现浇混凝土拱形结构在桥梁建设中已很常见，但在房屋建设过程中却很少使用。三大建筑地下中央大厅联动了副中心博物馆、图书馆、大剧院三大公共建筑与轨道交通设施，为国内跨度最大、高度最高的大跨度井格拱形梁交叉钢筋混凝土现浇结构，其最大跨度为47.5m，最大高度16m，共由18根拱形梁以不同交底斜交形成骨架，弧形顶板覆盖。本文根据该工程施工经验和现实问题，优化施工工艺，最终形成了一套适用于大跨度井格拱形混凝土结构的施工技术。

二、施工工艺特点

1、为简化拱形梁的截面尺寸，将各拱形梁按投影面积进行等效，并进行受力计算，初步确定支撑架体的搭设原则；利用Midas软件，选取最不利情况对支撑架体进行有限元分析和应力验算，以最大限度地保证施工安全。

2、为保证拱形结构的弧度和平滑度，建立拱形结构三维模型，提取拱形结构板底部主龙骨定位点，形成圆滑曲线，将钢管按弧度预弯；深化锯齿木背楞，有效解决拱形结构梁斜面受力问题，保证拱形结构支撑架体整体稳定性。

3、提前对异型模板排版，确定切割尺寸及曲率，采用全自动程控模板裁割机进行生产下料，大限度减少材料浪费，保证混凝土浇筑成型质量。实现定制化、规范化、可视化的，从模板的优化到加工，再到拼装的全流程管控。

4、提前模拟钢筋均匀排布，提高钢筋安装精度，降低梁梁节点处钢筋碰撞几率，并采用预制钢丝网预留振捣通道，确保振捣效果。

5、采用自密实混凝土对称、分层、分段浇筑方式，充分保证施工安全性以及拱形结构的整体性与美观性。

三、施工工艺

1、支撑架体应力分析及搭设

（1）简化拱形梁截面尺寸

拱形结构区域内，分别含有梁截面800mm×1400mm、800mm×1200mm、600mm×1400m等超高超限梁，将各个拱形梁按照投影面积进行截面尺寸简化，并做受力计算，初步确定支撑架搭设原则。

 （2）受力验算

利用Midas软件，模拟现场各种工况，选取最不利情况对支撑架体整体性进行有限元分析，对其承载力稳定性进行应力验算，综合考虑架体稳定性、施工效率，确定整体选择盘扣架支撑体系。并对超限梁底部支撑节点进行深化，最大限度保证施工安全。

（3）拱形结构底部主龙骨深化

主龙骨采用Φ48.3mm×3.6mm双钢管。根据支撑体系杆件排布，通过BIM模型提取主龙骨所对应拱形结构的定位点，并形成拱形弧度曲线，将钢管按放线弧度进行预弯并编号，用于架体搭设时的定位。

（4）拱形结构底部木背楞深化

木背楞采用15mm厚木板进行加工。根据模板模数，对背楞进行数据分析、归纳，并绘制锯齿木质弧形背楞，对背楞进行统一编号，导出CAD二维图形，再通过全自动数控裁割机精准制作，每个编号须一同制作4块，并通过工业胶水将其组成一组60mm厚的木背楞，木背楞和模板采用木工钉和射钉连接，间距180mm一道。锯齿木背楞可将拱形的不规则传力改变为竖向传力方式，确保预弯钢管主龙骨与木背楞次龙骨有足够的接触面积，有效解决支架受力问题，保证拱形结构支撑体系直接受力。

（5）支撑架体搭设

应用Revit技术提取支撑体系各杆件坐标点信息，通过全站仪现场定位放线，确定各杆件搭设位置。支撑架整体步距1500mm、立杆横向间距900mm、立杆纵向间距900mm；沿高度、横向、纵向每间隔6m~8m分别连续设置水平剪刀撑和竖向剪刀撑；为增加拱形梁支撑体系的稳定性，在拱形梁底沿梁宽度方向两侧各设斜撑一道，与地面夹角在55°-75°之间，沿梁纵向方向按3m间距布置，采用旋转扣件与竖向立杆连接。

2、拱形结构模板深化及安装

（1）拱形结构模板深化设计

模板采用15mm厚黑漆九夹板。采用Rhino软件，形成曲面拱形梁板弧度曲线，提前对曲度不同、扭曲角度不同的异性模板进行排版，对模板进行参数化设计分割，确定切割尺寸及曲率，最终导出二维CAD图纸。沿梁高方向按水平均匀布置三道螺栓孔，沿异型曲面梁曲线方向通长布置纵向螺栓孔，螺栓孔间距小于600mm一道。

（2）拱形结构模板加工

采用全自动数控模板裁割机进行生产下料，之后按照每张模板对应编号堆放到固定区域。

（3）拱形结构模板安装及加固

根据楼面上的轴线位置和梁控制线以及标高位置，安装拱形梁底部模板及主次龙骨，待拱形梁钢筋绑扎校正完毕后，安装底部模板及主次龙骨，然后绑扎拱形板筋，最后安装拱形梁侧模，并采用直径16mm的高强对拉螺杆加固和进行加固；对于拱形梁在板底以下区域，附加间距450mm的紧固件进行加固。

当拱形板弧度大于0.5rad时，在拱形板上部覆盖弧形封闭模板，以防止弧度较大区域的混凝土在浇筑时向下滑移堆积到底部区域。

在拱形梁模板上表面两侧沿纵向每隔2m开设振捣口，以方便混凝土振捣，同时可兼作为排气孔及分层浇筑位置预警。

3、拱形结构钢筋安装

（1）拱形结构钢筋排布及安装

由于井格拱形结构节点处多根拱形结构梁以不同角度斜交，钢筋排布密集且呈三维曲率变化。应用Rhino软件与GH插件参数化组合，建立模型，对梁交叉节点处钢筋进行模拟排布，将钢筋调整均匀，提取长度、曲率和重量等钢筋参数，指导钢筋按编号下料、预弯和安装。

（2）拱形结构振捣通道预留

由于拱形梁具有一定弧度且内部钢筋密集，振捣棒因重力作用，在插入过程中难免会碰到模板和钢筋，难以顺利下到拱形梁根部，带来漏振现象。因此在钢筋绑扎同时，沿梁在高度方向两侧各预埋一条由预制钢丝网制作的振捣通道，并固定在钢筋间隙处，同步预埋至拱形梁根部，振捣棒沿着拱形梁弧度的预设通道插入，保证浇筑时的振捣效果，杜绝了因振捣不密实而产生的气泡、孔洞等问题。

4、拱形结构混凝土浇筑

为分散拱形结构浇筑时产生的应力，采用对称分层分段浇筑方式。混凝土浇筑分为三次对称浇筑，第一次浇筑从结构底板向上浇筑6m；第二次浇筑至拱形梁板下150mm；第三次浇筑至拱形梁板顶。每次浇筑完成后留设施工缝，浇筑间隔时间为14~28d。

考虑到拱形结构钢筋较密，普通混凝土自密实性差，且流动性和坍落度均可能引起结构质量缺陷，故在第一次、第二次浇筑拱形梁时，选用坍落度180mm±5mm的自密实混凝土以保证流动性、和易性和自密实性能，同时辅以振捣棒振捣；第三次浇筑拱形板区域时，选用坍落度140mm-160mm的普通混凝土，以防止弧度较大区域的混凝土在浇筑时迅速大面积向下滑移堆积到拱形板底部区域。为保证三次浇筑无色差，提前与搅拌站取得联系，锁定混凝土原材料，及混凝土配合比。自密实混凝土浇筑的，最大可能确保混凝土浇筑成型质量。

4、结语

通过上述施工技术，有效解决了大跨度拱形结构架体受力分析及搭设难、曲面模板加工及拼装难、多梁交汇节点钢筋密集和混凝土振捣难等难题，提高了大跨度拱形结构支撑体系的稳定性，最大程度保证了施工安全，确保大跨度拱形结构混凝土浇筑成型质量，每平方米承重高达3t，拱梁柱底的最大压力超过800吨，最终形成了全国跨度最大、拱高最高的地下空间大跨度井格拱形结构。

参考文献

[1] 瓮雪冬，马书龙，张立新，等. 哈尔滨站房改造工程大跨度混凝土拱形屋面结构施工工艺[J]. 建筑技术，2019，50（1）：54-56.

作者简介：蔡尚儒（1995年12月—），男，吉林省长春市人，工程师，从事建筑工程科技研发工作。