國(guó)家體育場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

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中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院:尤天直副總工程師
 
尤天直：我今天報(bào)告的是“國(guó)家體育場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)”。奧運(yùn)會(huì)過去了，國(guó)家體育場(chǎng)大家應(yīng)該都很熟悉，這個(gè)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(gè)情景，我們可以看到混凝土看臺(tái)部分是分三層看臺(tái)，上層、中間和上層。看臺(tái)一共有8萬(wàn)座位和1.1萬(wàn)的活動(dòng)座位。

從這個(gè)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(lái)看它的結(jié)構(gòu)，它的框架梁是在沒有安裝預(yù)制看臺(tái)前的前景?？梢詮倪@些照片上了解一下混凝土看臺(tái)的復(fù)雜程度。

國(guó)家體育館的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：一，耐久性設(shè)計(jì)使用年限的確定，第二個(gè)是環(huán)境分類和環(huán)境作用等級(jí)。第三部分是混凝土，及混凝土組分設(shè)計(jì)。這一類包括了混凝土設(shè)計(jì)，還有施工要求，使用階段的維護(hù)和維修，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的壽命預(yù)測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候沒有相應(yīng)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(shè)計(jì)、施工指南，還有一個(gè)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(lái)介紹第一部分：耐久性使用年限的確定。當(dāng)時(shí)我們接到設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，業(yè)主明確規(guī)定了設(shè)計(jì)使用年限是100年，而且當(dāng)時(shí)奧組委和北京市委對(duì)奧運(yùn)場(chǎng)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(wàn)無(wú)一失，所以設(shè)計(jì)人員的壓力也是比較大的。就如何實(shí)現(xiàn)使用年限100年的話，我們當(dāng)時(shí)查了一些資料，我們現(xiàn)行的規(guī)范都是按照50年來(lái)決定的，我們?cè)O(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)里都是50年的基準(zhǔn)期，怎么樣按100年呢，我們規(guī)范何來(lái)，還有材料的特性，這些指標(biāo)都是非常不中肯的條件，也不能簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單一個(gè)系數(shù)就能完全涵蓋，這100年就是僅針對(duì)耐久性，其他方面的基準(zhǔn)期我們認(rèn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，其他的基本上按照50年，我們的構(gòu)件、基礎(chǔ)、預(yù)制看臺(tái)都是按照100年的概率性來(lái)設(shè)計(jì)的，這也是符合耐久性設(shè)計(jì)的基本原則，就是在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)在正常使用和維護(hù)的情況下不進(jìn)行大修。

下面介紹一下環(huán)境分類和環(huán)境作用等級(jí)，在北京的民用建筑大環(huán)境都是屬于一般的環(huán)境等級(jí)，主要的危害都是鋼筋受損引起的。國(guó)家體育場(chǎng)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(gè)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(gè)是1層、2層，還有5層、6層，這些都是敞開的，應(yīng)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(lái)覆蓋的。
第三個(gè)是預(yù)制看臺(tái)，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(yù)制看臺(tái)的前端及攝影溝。因?yàn)槲覀冧摻Y(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(gè)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(tái)、基礎(chǔ)底板及地下室外墻，屬于長(zhǎng)期與水或濕潤(rùn)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(yù)制看臺(tái)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(tái)、基礎(chǔ)底板、地下室外墻、基座頂板、攝影溝及下層預(yù)制看臺(tái)前端）為Ⅱb類，屬于寒冷地區(qū)的露天環(huán)境及與無(wú)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(xì)。像國(guó)家體育場(chǎng)分為兩類：Ⅰ類為一般環(huán)境，無(wú)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(fù)凍融引起的混凝土凍蝕。結(jié)合環(huán)境作用等級(jí)，進(jìn)一步可將環(huán)境作用對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕分為4個(gè)級(jí)別：Ⅰ-A級(jí)、Ⅰ-B級(jí)、Ⅰ-C級(jí)、Ⅱ-C級(jí)。具體解釋如下：Ⅰ-A級(jí)：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(jí)：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(yù)制看臺(tái)等有頂蓋遮擋的露天環(huán)境，以及樁基、承臺(tái)、基礎(chǔ)底板、地下室外墻等與土壤接觸的環(huán)境。Ⅰ-C級(jí)：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(jí)：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(yù)制看臺(tái)前端，因?yàn)閿z影溝及下層預(yù)制看臺(tái)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(yù)制看臺(tái)前端是完全暴露的構(gòu)件，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)檢修；即便出現(xiàn)了耐久性問題，對(duì)整體結(jié)構(gòu)也沒有影響。所以，在設(shè)計(jì)中，針對(duì)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(jí)以后，接著就是要進(jìn)行混凝土和混凝土組分的設(shè)計(jì)了。混凝土設(shè)計(jì)主要包括：混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、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?qiáng)度等級(jí)根據(jù)環(huán)境確定了混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C40，預(yù)制混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(shuō)基礎(chǔ)底板、樁承臺(tái)采用補(bǔ)償收縮混凝土，抗?jié)B等級(jí)S8級(jí)，地下室外墻都是補(bǔ)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(duì)后期的混凝土控制是非常有好處的。

混凝土組分設(shè)計(jì)，這一塊設(shè)計(jì)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(gè)耐久性設(shè)計(jì)如果不提出來(lái)的話，施工單位是無(wú)從去把握的，也無(wú)從去保證這個(gè)材料如何去做。一些措施是這樣的，業(yè)主也拿出費(fèi)用來(lái)給施工單位，所以我們根據(jù)耐久性指南的要求對(duì)這部分也做了一些工作。

這一塊我大概地說(shuō)一下，第一個(gè)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(shí)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(xì)骨料，選擇含泥量小于1%的級(jí)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(shí)際上細(xì)骨料、粗骨料提出的要求主要是考慮到基配，基配好的話強(qiáng)度就可以提高，而且抗裂、防曬都可以得到保證。

對(duì)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(gè)要求，避免使用早強(qiáng)劑，因?yàn)槲諒?qiáng)度以后會(huì)形成早期的裂縫，所以避免使用早強(qiáng)劑。

再一點(diǎn)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(shí)候一定要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一下相容性。還有要求外加劑的廠家提供與之相應(yīng)的成分，減水率，化驗(yàn)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(xiàng)，而且進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)來(lái)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(biāo)，技術(shù)人員都明確地提出來(lái)了。

水的要求也有明確的規(guī)范，要按照規(guī)范的要求來(lái)做。

總體組成的設(shè)計(jì)在國(guó)家體育場(chǎng)的設(shè)計(jì)中起到了一定的作用，我們提出這些要求的話才會(huì)引起施工單位的重視，就這些組分的問題我們開了很多會(huì)，包括攪拌站，專門跟混凝土的專家一起研究，最后一項(xiàng)一項(xiàng)地來(lái)嚴(yán)格落實(shí)，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(hù)層厚度的決定。我們主要是根據(jù)混凝土的規(guī)范來(lái)參考指南。我們當(dāng)時(shí)考慮的一個(gè)是結(jié)構(gòu)造價(jià)可能多一點(diǎn)，而且我們考慮適合的混凝土的厚度增加。樁身主筋保護(hù)層厚度70mm；基礎(chǔ)底板底面主筋保護(hù)層厚度55mm；一般樁承臺(tái)底面主筋保護(hù)層厚度70mm；鋼結(jié)構(gòu)組合柱樁承臺(tái)底面主筋保護(hù)層厚度100mm；基礎(chǔ)底板頂面主筋保護(hù)層厚度25mm；地下室外墻（有防水作法）外側(cè)主筋保護(hù)層厚度35mm；地下室外墻內(nèi)側(cè)主筋保護(hù)層厚度25mm；外圍擋土墻接觸土體一側(cè)（無(wú)防水作法）主筋保護(hù)層厚度40mm；柱主筋保護(hù)層厚度40mm；梁主筋保護(hù)層厚度35mm；剪力墻主筋保護(hù)層厚度20mm；板（－1夾層、零層、夾層、一層、四層、五層）主筋保護(hù)層厚度20mm；板（二層、三層、六層、七層）主筋保護(hù)層厚度30mm；預(yù)制看臺(tái)主筋保護(hù)層厚度25mm。

裂縫控制是耐久性的重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中進(jìn)行了深入的研究才得到相應(yīng)的對(duì)策。主要是6塊：一個(gè)是設(shè)計(jì)伸縮縫將整個(gè)看臺(tái)上部結(jié)構(gòu)分為6塊，減少結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度，減低溫度應(yīng)力。

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

施工要求一共列了17項(xiàng)，就不細(xì)說(shuō)。我們提出施工措施的話對(duì)施工單位也是有比較好約束的，誰(shuí)也不敢亂弄。對(duì)施工企業(yè)來(lái)講操作方面進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，把施工開展確實(shí)保持得還不錯(cuò)。這就不細(xì)說(shuō)了。

這是二次的地面搓毛，非常認(rèn)真地在上面工作。

還有一個(gè)要說(shuō)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(jìn)行交流。比如說(shuō)施工單位提出來(lái)砂石料不能達(dá)到要求的水平話，我們就要求你采購(gòu)到市場(chǎng)上最好的砂石料來(lái)確定砂石料的水平。還有很高細(xì)長(zhǎng)的物件無(wú)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(gè)是維護(hù)和維修，主要是在使用階段中一定要注意及時(shí)對(duì)有缺陷的地方進(jìn)行維修。這一點(diǎn)實(shí)際上是非常周期的。我們進(jìn)行耐久性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，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(jí)、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(gè)方面進(jìn)行了檢查。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的檢查、測(cè)試結(jié)果來(lái)對(duì)混凝土的材料耐久性構(gòu)造措施、堿骨料反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)、碳化速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

最后的結(jié)論是這樣的，國(guó)家體育場(chǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的民用建筑領(lǐng)域全面應(yīng)用《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，結(jié)構(gòu)地下室外墻、鋼結(jié)構(gòu)承臺(tái)、看臺(tái)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(hù)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(gè)結(jié)果還是比我們預(yù)期要好的。耐久性的評(píng)估結(jié)構(gòu)梁約為101.7年，柱約為121.3年，板遠(yuǎn)大于100年，均滿足于100年的要求。建議建立定期檢測(cè)制度，對(duì)混凝土構(gòu)件的碳化程度等指標(biāo)要進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，以掌握結(jié)構(gòu)老化進(jìn)程，制訂對(duì)應(yīng)的耐久性維護(hù)策略。

好的，我的報(bào)告就結(jié)束了。