Организация и технология строительства высотных и большепролетных зданий. Учебное пособие

песчано-гравийной смеси с уплотнением, разделительного слоя из самовыравнивающейся смеси с антиадгезионным покрытием. Армирование и бетонирование производится с разбивкой на технологические захватки и устройством опалубки под технологические проемы.

5.1. Производство земляных работ

По достижении прочности бетона покрытия в пределах 70–80 % RS выполняется цикл земляных работ, который является фактическим началом совмещения технологических процессов по устройству конструктивных элементов подземной и надземной частей зданий.

Технология производства земляных работ в стесненных условиях подземного пространства предусматривает разбивку площади каждого этажа на участки и захватки, каждая из которых имеет технологический проем для размещения на поверхности штангового экскаватора с грейферным ковшом. Размеры проемов должны обеспечивать подачу землеройно-транспортной техники на подземные уровни.

Начало производства земляных работ состоит в разработке грунта пионерного забоя под перекрытием в области технологического проема с погрузкой грунта в автосамосвалы и транспортировании его за пределы строительной площадки. Применяют экскаваторы, например, типа «Hitachi» и др., оснащенные грейферным ковшом емкостью 0,6–0,9 м3 с телескопической рукоятью и вертикальными вставками, расширяющими параметры пионерного забоя.

Для работ в области размещения свай-колонн, ограждений и других элементов примыкания плит перекрытий, кроме мини-тех- ники, допускается ручная доработка грунта.

Организация работы средств механизации состоит в последовательном расширении забоя и перемещении грунта в зону действия грейферного экскаватора. Для интенсификации процессов разработки грунта могут одновременно использоваться несколько экскаваторов и комплектов землеройно-транспортных машин. Ведущим процессом является экскавация грунта с погрузкой в транспортные средства.

По мере расширения забоя потребность в землеройно-транс- портной технике возрастает вследствие снижения производительности из-за увеличения пути перемещения грунта в зону экскавации. Оптимизация технологии разработки грунта в условиях подземного пространства достигается путем исследования математических моделей, базирующихся на вероятностных методах оценки процессов и моделях теории массового обслуживания.

21

Математическое описание технологических процессов земляных работ можно представить в виде двух моделей.

Первая модель описывает процесс экскавации грунта и погрузки в автотранспортные средства, вторая – состоит в оптимизации поярусной разработки грунта подземного пространства. В предположении, что число автотранспортных средств ограничено, вероятность простоя грейферного экскаватора достаточно высока из-за случайного времени возвращения под погрузку. Она определяется следующими обстоятельствами: удлинением цикла при возвращении транспортных средств под погрузку, недостаточным объемом грунта в зоне технологического проема или совокупностью этих факторов.

В первом случае имеется пуассоновский поток автотранспортных средств и один грейферный экскаватор, обслуживающий их.

Интенсивность потока r/b, где r – общее количество обслуживающих машин; b – среднее время возвращения транспортного средства после погрузки. Среднее время обслуживания машин (погрузки) экскаватором – τ.

Если x(t) – число автотранспортных средств в очереди к экскаватору в момент времени t, то вероятность того, что имеется j машин, определяется соотношением:

{ ( ) = } = (1− ) ,

где j= 0, 1, 2, ... – возможное число машин в очереди; а = (r/b)τ – коэффициент загрузки экскаватора.

При а ≥ 1 возникает очередь из машин и вероятность простоя равна нулю для достаточно больших t. При а ≤ 1 вероятность простоя определяется равенством:

{ ( ) = } = 1− .

Среднее время простоя автотранспорта составит:

а.т.с. = ( − )∙ / = ( / − ).

Если возникает ситуация, приводящая к простою экскаватора, то среднее время погрузки QЭ оценивается выражением:

Э = +(1− / − ) / .

Для практических целей при нахождении компромисса между а.т.с.. и Э необходимо произвести экономическую оценку, которая

22

определяется соотношением издержек от простоя экскаватора или транспортных средств.

Для второй математической модели – разработки грунта в подземной части (под перекрытием) – принимаем, что грейферный экскаватор обслуживает одну захватку с объемом грунта V. В достаточно общих предположениях Y(t) – число циклов перемещения грунта мини-техникой в зону экскавации за время t – может быть представлено пуассоновским процессом с параметром:

= / ,

где а1 – среднее время доставки грунта к экскаватору, n1 – число землеройно-транспортных средств.

Для первой захватки потребуется k1 = (V – A)/v циклов работы комплекта машин, где ν – объем грунта, перемещаемый комплектом землеройно-транспортных машин; А – объем начального забоя.

С увеличением отдаленности забоев среднее время цикла доставки грунта к экскаватору будет возрастать. Для вычисления среднего времени разработки и транспортирования грунта в зону экскавации Т1 на первой захватке объемом V1, определим число циклов Y(t) для обеспечения непрерывной работы экскаватора за время t. Эта функция представляет собой пуассоновский процесс с параметрами λ1 и k1.

Тогда Т1 – является случайной величиной с плотностью распределения вероятностей:

и среднее значение определяется равенством:

Для оценки случайной величины T1 задается доверительный уровень (1–ε) и определяется доверительный интервал γ1γ2 из соотношения:

( < < ) = 1− .

Площадь захватки распределяется на m зон, для которых коэффициенты загрузки системы «экскаватор – землеройно-транспорт-

23

ная техника» составляют R1<R2<Rm. Для первой зоны, примыкающей к месту экскавации, этот коэффициент может быть определен из формулы:

== ,

где γ=νQ/w; w – объем ковша экскаватора.

Из общей теории массового обслуживания следует, что при R > 1 объем грунта в зоне экскавации будет быстро расти. Поэтому количество землеройно-транспортной техники n1 должно быть близким к числу a1 w /vQ, причем:

<.

Задача состоит в вычислении среднего времени непрерывной работы экскаватора, что по существу является периодом занятости в одноканальной системе массового обслуживания с интенсивностями потока заявок λ1= п1/а1 и w/(vQ) обслуживания.

Находим, что если Тр – длительность непрерывной работы экскаватора, то его среднее значение определяется формулой:

=,

а дисперсия:

= ∙( ) .

Для получения доверительных интервалов можно использовать приближение вероятности распределения Тр, которое имеет вид:

Задаем вероятность (1 – ε) непрерывной работы экскаватора и время Л (например, длительность смены). Необходимо найти число п1, чтобы длительность рабочего периода Тр была не менее Л с вероятностью (1 – ε), т. е.

> Л > 1 − .

24

Используя (3) и (4), получаем условие:

Л− = ,

где αε – находится для возможных b из таблиц.

Наиболее простой подход для определения числа п1 состоит в требовании, чтобы среднее Т1 было больше некоторого фиксированного Л.

Тогда число землеройных машин п1 находится из соотношения:

>( ).

Полученные зависимости позволяют в масштабе реального времени с учетом производства работ осуществлять оптимизацию комплексной механизации земляных работ или служить основой для разработки ППР, технологических карт и регламентов.

Особенным конструктивным элементом при строительстве «сверху вниз» являются буровые колонны. При устройстве этих колонн с поверхности земли особенно важна их вертикальная установка и ограничение отклонения от оси. В этой связи буровые колонны зачастую производятся из стальных профилей меньшего сечения, чем колонны в конечном состоянии. В случае больших отклонений они могут служить как временные конструкции, при отклонениях в допустимых рамках они могут входить в сечение постоянной конструкции колонн. Крепление колонн к арматуре перекрытия производится при помощи муфт.

Производство работ по методу сверху вниз вследствие необходимости поддерживать перекрытия, работающие как распорки во время строительства, подразумевает устройство свайного либо свай- но-плитного фундамента.

Так как производство ограждения котлована, фундамента, выемка грунта и строительство подземных этажей, а также зачастую строительство надземной конструкции ведется параллельно во времени, необходимо тесное сотрудничество между всеми участниками строительства: проектировщиками, подрядчиками и заказчиком.

При строительстве подземных сооружений полузакрытым способом значительные затраты требуются на устройство буровым способом или способом «стена в грунте» опор-колонн, поддерживающих перекрытия в процессе экскавации грунта. Российская разработка

25

(комбинированный метод разработки грунта – semy-top-down), направлена на сокращение этих затрат и предусматривает схему крепления ограждения котлована, при которой в верхнем ярусе монтируются инвентарные металлические конструкции ферм. Фермы опираются на «стену в грунте», а бетонируемые поэтапно по мере разработки грунта подземные перекрытия подвешиваются к конструкциям этих ферм. После бетонирования «снизу вверх» вертикальных элементов каркаса временные конструкции подвески и ферм демонтируются.

5.2. Комбинированный метод разработки грунта

(semy-top-down)

При значительных размерах котлованов в плане используют комбинированный метод разработки грунта (semy-top-down), в котором возведение конструкций подземной части по периметру котлована выполняется способом «top-down», а в центральной части – по классической схеме «снизу вверх». При этом крепление ограждения котлована осуществляется за счет пространственной работы периметральных фрагментов дисков подземных перекрытий.

6. Возведение междуэтажных перекрытий

Комплексный процесс разработки грунта, подготовки основания под монолитные перекрытия, армирование и укладка бетонной смеси бетононасосным транспортом осуществляется с учетом поточности производства работ путем совмещения технологических процессов, расчета необходимого числа рабочих и средств механизации.

При возведении междуэтажных перекрытий заглубленной части особое внимание уделяется армированию зон сопряжения колонн с учетом размещения опорных площадок и воротников, вибрационной проработки смеси в процессе укладки бетона.

Подача и укладка бетонной смеси осуществляется бетононасосами, размещаемыми на перекрытии первого заглубленного этажа – через технологические отверстия для бетоноводов с гибкими ответвлениями. Процесс бетонирования целесообразно проводить непрерывно на объем захватки.

26

Для реализации такой технологии необходимо исследование математической модели из условия непрерывной работы бетононасосов и расчета соответствующего числа автобетоносмесителей.

Интенсификация набора прочности достигается как путем использования технологии прогрева греющими проводами, так и термостным выдерживанием высокопрочных бетонов класса В40...В60, с расчетом температурных градиентов, исключающих трещинообразование и другие деструктивные процессы.

Контроль набора прочности осуществляется по температурным характеристикам слоев бетона с учетом температуры подземного пространства, вентиляционных эффектов и способов изоляции открытых поверхностей. Фактическая прочность бетона оценивается «неразрушающими» методами или методами прямых испытаний. На производство работ по возведению перекрытий разрабатывается технологический регламент.

7. Возведение ядер жесткости заглубленной части

Возведение ядер жесткости заглубленной части осуществляется методом подращивания с обеспечением монолитности с элементами перекрытий. Используется мелкощитовая опалубка с армированием отдельными стержнями. Укладку бетонной смеси производят через технологические отверстия в перекрытиях с уплотнением навесными вибраторами.

Возведение фундаментной плиты включает технологические процессы по уплотнению основания, устройству бетонной подготовки и горизонтальной гидроизоляции, армированию. Каждый технологический этап подвергается инструментальному контролю и актированию.

Возведение массивных фундаментных плит производится методом наклонного бетонирования с транспортированием смеси насосами с разветвленной сетью бетоноводов. Подача смеси к месту укладки осуществляется по бетоноплитным трубам или гибким шлангам бетоноводов с обязательным уплотнением глубинными вибраторами. Как правило, принимают непрерывную схему подачи смеси, что требует использования расчетного числа бетононасосов, бетоносмесителей, а также количества бетонщиков и вибраторов.

На укладку смеси разрабатывается технологический регламент, включающий, кроме схемы расстановки трубопроводного транспорта, установку термопар для контроля температурных полей твердеющего бетона. В зависимости от температурных условий по окончании бетонирования поверхность плиты теплоизолируется или увлажняется.

27

Размещение бетононасосов производится по периметру плиты перекрытия первого заглубленного этажа с установкой трубопроводного транспорта через технологические отверстия. Количество бетононасосов определяется объемом бетонной смеси захваток и их производительностью. При этом скорость подачи бетонной смеси Vб согласуется с вибрационной проработкой слоев.

Расчет количества требуемых вибраторов на один бетононасос производится из соотношения:

в = б/( в упл),

где Vупл – объем уплотняемой смеси с учетом одновременной работы 2–3 вибраторов; КВ – коэффициент использования по времени.

При этом радиус действия вибраторов RB составляет (6...8)rб (rб – радиус булавы вибратора), а их перестановка должна учитывать зоны пересечения не менее 1/3 RB. Для смесей подвижностью П3...П4 время уплотнения определяется экспериментально и составляет 15–20 с. Скорость подачи бетонной смеси согласуется с производительностью вибраторов и обычно составляет 20–30 м3/ч.

Расчетное число АБС-смесителей по доставке смесей определяется, исходя из расстояния транспортирования и степени загруженности транспортной сети. Для обеспечения непрерывности работы бетононасосов в очереди к каждому из них должно быть не менее двух автобетоносмесителей: один смеситель разгружается, остальные стоят в очереди. Для сохранения технологических свойств бетонных смесей при превышении продолжительности транспортирования более 1 ч используют прием порционного введения пластифицирующих и замедляющих твердение бетона добавок. Снижение температурных градиентов достигается подбором бетонных смесей с замещением части цемента золой уноса.

8. Возведение надземной части

При достижении прочности перекрытия над первым заглубленным этажом в пределах 70 % осуществляется монтаж самоподъемных кранов, распределительной стрелы бетононасоса и другой грузоподъемной техники, необходимой для организации непрерывных технологических процессов.

Ядро жесткости возводится с использованием щитовых или самоподъемных опалубок. Процессы армирования и бетонирования ве-

28

дутся отдельными технологическими потоками путем разбивки на захватки с приблизительно равными объемами работ и трудоемкостью. Для высокопрочных бетонов класса В60 и выше распалубка конструкций осуществляется при достижении бетоном не менее 30 % проектной прочности.

Возведение вертикальных и горизонтальных конструкций (колонн и плит перекрытия) осуществляется самостоятельными технологическими потоками специально обученных рабочих. Разбивка на захватки позволяет максимально совмещать процессы возведения вертикальных и горизонтальных элементов. При этом интенсивность их устройства не должна превышать скорости возведения ядра жесткости.

Для снижения параметров распалубочной прочности перекрытий допускается устройство распределительных стоек на высоту до 3-х этажей.

На возведение ядер жесткости, вертикальных и горизонтальных конструкций разрабатывается ППР, технологические карты и регламенты производства работ, определяющие последовательность, продолжительность циклов, технологический и инструментальный контроль набора прочности бетоном, геодезическое обеспечение точности возводимых конструкций и др.

Возведение зданий с применением трубобетонных конструкций

Наибольшее распространение декельный метод строительства приобрел в КНР, где для возведения вертикальных несущих конструкций используется трубобетон.

Трубобетонные стержневые конструкции являются комплексными, состоящими из стальной трубы (несъемной опалубки) и бетонного ядра. Прочность ядра, стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается в 1,2–1,3 раза по сравнению с безоболочковым бетоном. Вместо ожидаемой усадки происходит набухание бетона в трубе и его расширение, сохраняющееся на протяжении многих лет.

Причиной разбухания является отсутствие влагообмена между бетоном и внешней средой. Величина усадочных продольных деформаций весьма незначительна и составляет: εо = (2...3)·105. Этот фактор определяет преимущества трубобетона перед железобетоном, возводимым в щитовых опалубках. Скорость возведения ядра жесткости не должна отставать от интенсивности работ по устройству вертикальных и горизонтальных конструкций.

Развитие деструктивных процессов в трубобетоне прекращается в первые 2–3 суток, в то время как в обычном железобетоне оно

29

прогрессирует во времени. Как правило, возведение подземной части осуществляется с устройством монолитных балочных или безбалочных перекрытий. Для обеспечения монолитного сопряжения колонн с перекрытиями на последних устанавливаются «воротники». Для колонн диаметром более 1,0 м на уровне верхней полки внутри трубы приваривается металлическая кольцевая диафрагма.

Строительство комплекса осуществлялось по декельной технологии, обеспечивающей максимальное совмещение технологических процессов возведения подземной части методом «вниз» и надземной

– методом «вверх». Заглубленная часть возводилась с применением трубобетонных свай-колонн и междуэтажных безбалочных монолитных перекрытий.

Высотная часть представляет собой каркасно-ствольную систему, включающую по наружному периметру 12 трубобетонных колонн диаметром 1,6 м с толщиной стенки 28 мм в нижней зоне и 1,3 м с пеной 18 мм для верхней части здания, а для центрального ствола использовались 14 колонн диаметром, соответственно, 1,1 м 14 мм и 0,8 м 12 мм, с заполнением бетоном класса В60.

Перекрытия решены в виде стальных двутавровых балок с опиранием на консольные элементы «хомутов». По балкам укладывается стальной профнастил с дополнительным армированием и омоноличиванием.

Строительство высотной части включает этапы возведения каркаса из трубобетонных элементов и балочной системы перекрытий, лестничнолифтового узла с размещением самоподъемного крана

ираспределительной стрелы бетононасоса.

9.Конструкции высотных

ибольшепролетных зданий

9.1. Перекрытия

Типы сборных перекрытий, применяемых в практике строительства: 1) балочные перекрытия, 2) перекрытия с настилами различных видов; 3) перекрытия крупноблочных и крупнопролетных конструкций.

Балочные перекрытия

Из большого числа предложенных в различное время конструкций балочных перекрытий наиболее широкое распространение

30