國家體育場混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計

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中國建筑設計研究院:尤天直副總工程師
 
尤天直：我今天報告的是“國家體育場混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計”。奧運會過去了，國家體育場大家應該都很熟悉，這個圖片就是我們看到的是鋼結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)狀態(tài)里面的。這是內(nèi)部的一個情景，我們可以看到混凝土看臺部分是分三層看臺，上層、中間和上層?？磁_一共有8萬座位和1.1萬的活動座位。

從這個圖片里可以看到混凝土結(jié)構(gòu)施工期間的外型，這是從外面看的情況，看到混凝土結(jié)構(gòu)的外形也是非常不規(guī)則的，從內(nèi)部來看它的結(jié)構(gòu)，它的框架梁是在沒有安裝預制看臺前的前景?？梢詮倪@些照片上了解一下混凝土看臺的復雜程度。

國家體育館的設計主要內(nèi)容包括：一，耐久性設計使用年限的確定，第二個是環(huán)境分類和環(huán)境作用等級。第三部分是混凝土，及混凝土組分設計。這一類包括了混凝土設計，還有施工要求，使用階段的維護和維修，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的壽命預測，我們設計的時候沒有相應的依據(jù)，規(guī)范、資料比較少，我們主要依據(jù)的是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設計、施工指南，還有一個是建筑工程抗裂的指南，以及一些規(guī)范的部分內(nèi)容。

現(xiàn)在我們來介紹第一部分：耐久性使用年限的確定。當時我們接到設計任務時，業(yè)主明確規(guī)定了設計使用年限是100年，而且當時奧組委和北京市委對奧運場館非常重視，提高到了世界文化遺產(chǎn)的高度，必須要做到萬無一失，所以設計人員的壓力也是比較大的。就如何實現(xiàn)使用年限100年的話，我們當時查了一些資料，我們現(xiàn)行的規(guī)范都是按照50年來決定的，我們設計統(tǒng)一標準里都是50年的基準期，怎么樣按100年呢，我們規(guī)范何來，還有材料的特性，這些指標都是非常不中肯的條件，也不能簡簡單單一個系數(shù)就能完全涵蓋，這100年就是僅針對耐久性，其他方面的基準期我們認為還是按照50年，業(yè)主也同意了我們的作法。

第二，結(jié)構(gòu)設計要根據(jù)奧組委和北京市委的要求，根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性，確定了結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性按100年設計，其他的基本上按照50年，我們的構(gòu)件、基礎、預制看臺都是按照100年的概率性來設計的，這也是符合耐久性設計的基本原則，就是在設計使用年限內(nèi)在正常使用和維護的情況下不進行大修。

下面介紹一下環(huán)境分類和環(huán)境作用等級，在北京的民用建筑大環(huán)境都是屬于一般的環(huán)境等級，主要的危害都是鋼筋受損引起的。國家體育場環(huán)境可以分為4種：
第一種是屬于室內(nèi)的環(huán)境，從這個圖上可以看到3層、4層，這是包廂層，都是封閉的，這是一般的室內(nèi)環(huán)境。
第二個是1層、2層，還有5層、6層，這些都是敞開的，應該是通透的，雖然是通透的，但是上面都是有屋蓋的，或者是鋼結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)來覆蓋的。
第三個是預制看臺，這也是露天的，但是有膜結(jié)構(gòu)的頂蓋，不是直接跟雨雪接觸，或者是很少。
再有一類是預制看臺的前端及攝影溝。因為我們鋼結(jié)構(gòu)的頂上比較高，有可能是飄雨，或者有雨雪影響到很小的一部分。這是一個雨雪直接接觸可能產(chǎn)生的問題。

地下環(huán)境：地下室屬于室內(nèi)環(huán)境；樁基、承臺、基礎底板及地下室外墻，屬于長期與水或濕潤土體接觸的土中構(gòu)件；基座頂板，考慮干濕交替的環(huán)境影響，和凍融作用。根據(jù)這些我們按照混凝土規(guī)范確定了以下構(gòu)件的環(huán)境類別：
1）一般室內(nèi)部分環(huán)境類別為Ⅰ類；2）有頂蓋遮擋的露天環(huán)境（包括1層、2層、5層、6層、7層及預制看臺部分）為Ⅱa類，屬于室內(nèi)潮濕環(huán)境；3）露天或與土壤接觸的環(huán)境（包括樁基、承臺、基礎底板、地下室外墻、基座頂板、攝影溝及下層預制看臺前端）為Ⅱb類，屬于寒冷地區(qū)的露天環(huán)境及與無侵蝕性的水與土壤直接接觸的室外環(huán)境。

在環(huán)境類別上分得更細。像國家體育場分為兩類：Ⅰ類為一般環(huán)境，無凍融，鹽、酸等作用，主要的環(huán)境損傷為碳化引起的鋼筋銹蝕；Ⅱ類為凍融環(huán)境，主要的環(huán)境損傷為反復凍融引起的混凝土凍蝕。結(jié)合環(huán)境作用等級，進一步可將環(huán)境作用對于混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕分為4個級別：Ⅰ-A級、Ⅰ-B級、Ⅰ-C級、Ⅱ-C級。具體解釋如下：Ⅰ-A級：環(huán)境作用程度可忽略。具體結(jié)構(gòu)部位為三層、四層及地下室等室內(nèi)部分。Ⅰ-B級：環(huán)境作用程度輕度。具體結(jié)構(gòu)部位為1層、2層、5層、6層、7層及預制看臺等有頂蓋遮擋的露天環(huán)境，以及樁基、承臺、基礎底板、地下室外墻等與土壤接觸的環(huán)境。Ⅰ-C級：環(huán)境作用程度中度。具體結(jié)構(gòu)部位為基座頂板，Ⅱ-C級：環(huán)境類別Ⅱ類作用程度中度。具體結(jié)構(gòu)部位為攝影溝及下層預制看臺前端，因為攝影溝及下層預制看臺前端屬于寒冷地區(qū)受雨雪影響環(huán)境，由于攝影溝及下層預制看臺前端是完全暴露的構(gòu)件，便于及時發(fā)現(xiàn)問題，及時檢修；即便出現(xiàn)了耐久性問題，對整體結(jié)構(gòu)也沒有影響。所以，在設計中，針對上述部位并不采取特殊的措施，結(jié)構(gòu)做法與周圍構(gòu)件相同，方便施工。

確定了環(huán)境等級以后，接著就是要進行混凝土和混凝土組分的設計了。混凝土設計主要包括：混凝土的強度等級、水膠比、膠凝材料的最大與最小用量、混凝土中有害物質(zhì)總量控制、混凝土特殊性能等?；炷翉姸鹊燃壐鶕?jù)環(huán)境確定了混凝土強度等級不小于C40，預制混凝土構(gòu)件的混凝土強度等級為C50；水膠比要求適中，滿足混凝土和易性前提下，盡量地取比較小的值，但是也不能過小，要適中，最小膠凝材料用量不得小于320KG每立方米，避免使用堿活性骨料。再就是混凝土的特殊性能要求，比如說基礎底板、樁承臺采用補償收縮混凝土，抗?jié)B等級S8級，地下室外墻都是補償收縮混凝土和纖維混凝土，避免了早期的混凝土裂縫，以至于對后期的混凝土控制是非常有好處的。

混凝土組分設計，這一塊設計人員接觸得比較少，主要是一些材料的要求，材料是比較關(guān)鍵的，我們也不太熟悉，但是作為一個耐久性設計如果不提出來的話，施工單位是無從去把握的，也無從去保證這個材料如何去做。一些措施是這樣的，業(yè)主也拿出費用來給施工單位，所以我們根據(jù)耐久性指南的要求對這部分也做了一些工作。

這一塊我大概地說一下，第一個水泥的品種。還有要控制水泥中有害的物質(zhì)盡量少。第二粉煤灰。粉煤灰的要求要控制一些吸水比之類的東西。使用粉煤灰可以減少我們水泥的水化熱，實際上就是減少收縮。也可以增加合一性，這是比較好的措施。細骨料，選擇含泥量小于1%的級配良好的中砂。粗骨量要控制含泥量小于0.7%，都有一定的要求。實際上細骨料、粗骨料提出的要求主要是考慮到基配，基配好的話強度就可以提高，而且抗裂、防曬都可以得到保證。

對外加劑也提出了要求，外加劑的后期收縮比較大，但是前期膨脹也比較大，我們提出的要求是前提膨脹要適度，后期收縮要小，是這么一個要求，避免使用早強劑，因為吸收強度以后會形成早期的裂縫，所以避免使用早強劑。

再一點現(xiàn)在的外加劑使用很多，現(xiàn)在的外加劑不止一種，我們提出使用外加劑的時候一定要進行實驗，實驗一下相容性。還有要求外加劑的廠家提供與之相應的成分，減水率，化驗一下堿含量，都需要他們提供，還有在施工中必須要注明注意的事項，而且進行現(xiàn)場的指導來控制外加劑的使用。外加劑的技術(shù)含量和堿含量也有一定的指標，技術(shù)人員都明確地提出來了。

水的要求也有明確的規(guī)范，要按照規(guī)范的要求來做。

總體組成的設計在國家體育場的設計中起到了一定的作用，我們提出這些要求的話才會引起施工單位的重視，就這些組分的問題我們開了很多會，包括攪拌站，專門跟混凝土的專家一起研究，最后一項一項地來嚴格落實，最終把混凝土的組分都控制在最好的狀態(tài)下。

下面講一下混凝土保護層厚度的決定。我們主要是根據(jù)混凝土的規(guī)范來參考指南。我們當時考慮的一個是結(jié)構(gòu)造價可能多一點，而且我們考慮適合的混凝土的厚度增加。樁身主筋保護層厚度70mm；基礎底板底面主筋保護層厚度55mm；一般樁承臺底面主筋保護層厚度70mm；鋼結(jié)構(gòu)組合柱樁承臺底面主筋保護層厚度100mm；基礎底板頂面主筋保護層厚度25mm；地下室外墻（有防水作法）外側(cè)主筋保護層厚度35mm；地下室外墻內(nèi)側(cè)主筋保護層厚度25mm；外圍擋土墻接觸土體一側(cè)（無防水作法）主筋保護層厚度40mm；柱主筋保護層厚度40mm；梁主筋保護層厚度35mm；剪力墻主筋保護層厚度20mm；板（－1夾層、零層、夾層、一層、四層、五層）主筋保護層厚度20mm；板（二層、三層、六層、七層）主筋保護層厚度30mm；預制看臺主筋保護層厚度25mm。

裂縫控制是耐久性的重點。在設計過程當中進行了深入的研究才得到相應的對策。主要是6塊：一個是設計伸縮縫將整個看臺上部結(jié)構(gòu)分為6塊，減少結(jié)構(gòu)段長度，減低溫度應力。

這是我們建立的模型。這是一個應力的分布。根據(jù)分析計算我們采取了不同的措施。

施工要求一共列了17項，就不細說。我們提出施工措施的話對施工單位也是有比較好約束的，誰也不敢亂弄。對施工企業(yè)來講操作方面進行嚴格的監(jiān)控，把施工開展確實保持得還不錯。這就不細說了。

這是二次的地面搓毛，非常認真地在上面工作。

還有一個要說的是我們雖然定了施工措施，但是很大一部分還是要跟施工單位進行交流。比如說施工單位提出來砂石料不能達到要求的水平話，我們就要求你采購到市場上最好的砂石料來確定砂石料的水平。還有很高細長的物件無法施工的話，我們就提到水平高架是180，豎向高架是220、240這樣。

再一個是維護和維修，主要是在使用階段中一定要注意及時對有缺陷的地方進行維修。這一點實際上是非常周期的。我們進行耐久性進行了預測，包括地下室外墻、框架梁、框架柱，板、樓板、建筑、外觀、混凝土的等級、鋼筋的配置，還有混凝土判斷的深度，還有堿含量和骨料活性等8個方面進行了檢查。根據(jù)現(xiàn)場的檢查、測試結(jié)果來對混凝土的材料耐久性構(gòu)造措施、堿骨料反應風險、碳化速度進行預測。

最后的結(jié)論是這樣的，國家體育場的混凝土結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的民用建筑領域全面應用《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計與施工指南》，現(xiàn)場監(jiān)測表明，結(jié)構(gòu)地下室外墻、鋼結(jié)構(gòu)承臺、看臺框架結(jié)構(gòu)外觀狀況良好，僅有少部分構(gòu)件存在影響混凝土耐久性的缺陷，主要為保護層偏薄、構(gòu)件存在收縮裂縫等，此類構(gòu)件所占比例小于檢查到的構(gòu)件總數(shù)的0.5%，這個結(jié)果還是比我們預期要好的。耐久性的評估結(jié)構(gòu)梁約為101.7年，柱約為121.3年，板遠大于100年，均滿足于100年的要求。建議建立定期檢測制度，對混凝土構(gòu)件的碳化程度等指標要進行跟蹤檢測，以掌握結(jié)構(gòu)老化進程，制訂對應的耐久性維護策略。

好的，我的報告就結(jié)束了。