国家体育场混凝土结构耐久性设计

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

中国建筑设计研究院:尤天直副总工程师
 
尤天直：我今天报告的是“国家体育场混凝土结构耐久性设计”。奥运会过去了，国家体育场大家应该都很熟悉，这个图片就是我们看到的是钢结构，混凝土结构是在钢结构状态里面的。这是内部的一个情景，我们可以看到混凝土看台部分是分三层看台，上层、中间和上层。看台一共有8万座位和1.1万的活动座位。

从这个图片里可以看到混凝土结构施工期间的外型，这是从外面看的情况，看到混凝土结构的外形也是非常不规则的，从内部来看它的结构，它的框架梁是在没有安装预制看台前的前景。可以从这些照片上了解一下混凝土看台的复杂程度。

国家体育馆的设计主要内容包括：一，耐久性设计使用年限的确定，第二个是环境分类和环境作用等级。第三部分是混凝土，及混凝土组分设计。这一类包括了混凝土设计，还有施工要求，使用阶段的维护和维修，混凝土结构耐久性的寿命预测，我们设计的时候没有相应的依据，规范、资料比较少，我们主要依据的是混凝土结构耐久性的设计、施工指南，还有一个是建筑工程抗裂的指南，以及一些规范的部分内容。

现在我们来介绍第一部分：耐久性使用年限的确定。当时我们接到设计任务时，业主明确规定了设计使用年限是100年，而且当时奥组委和北京市委对奥运场馆非常重视，提高到了世界文化遗产的高度，必须要做到万无一失，所以设计人员的压力也是比较大的。就如何实现使用年限100年的话，我们当时查了一些资料，我们现行的规范都是按照50年来决定的，我们设计统一标准里都是50年的基准期，怎么样按100年呢，我们规范何来，还有材料的特性，这些指标都是非常不中肯的条件，也不能简简单单一个系数就能完全涵盖，这100年就是仅针对耐久性，其他方面的基准期我们认为还是按照50年，业主也同意了我们的作法。

第二，结构设计要根据奥组委和北京市委的要求，根据结构的重要性，确定了结构混凝土的耐久性按100年设计，其他的基本上按照50年，我们的构件、基础、预制看台都是按照100年的概率性来设计的，这也是符合耐久性设计的基本原则，就是在设计使用年限内在正常使用和维护的情况下不进行大修。

下面介绍一下环境分类和环境作用等级，在北京的民用建筑大环境都是属于一般的环境等级，主要的危害都是钢筋受损引起的。国家体育场环境可以分为4种：
第一种是属于室内的环境，从这个图上可以看到3层、4层，这是包厢层，都是封闭的，这是一般的室内环境。
第二个是1层、2层，还有5层、6层，这些都是敞开的，应该是通透的，虽然是通透的，但是上面都是有屋盖的，或者是钢结构和膜结构来覆盖的。
第三个是预制看台，这也是露天的，但是有膜结构的顶盖，不是直接跟雨雪接触，或者是很少。
再有一类是预制看台的前端及摄影沟。因为我们钢结构的顶上比较高，有可能是飘雨，或者有雨雪影响到很小的一部分。这是一个雨雪直接接触可能产生的问题。

地下环境：地下室属于室内环境；桩基、承台、基础底板及地下室外墙，属于长期与水或湿润土体接触的土中构件；基座顶板，考虑干湿交替的环境影响，和冻融作用。根据这些我们按照混凝土规范确定了以下构件的环境类别：
1）一般室内部分环境类别为Ⅰ类；2）有顶盖遮挡的露天环境（包括1层、2层、5层、6层、7层及预制看台部分）为Ⅱa类，属于室内潮湿环境；3）露天或与土壤接触的环境（包括桩基、承台、基础底板、地下室外墙、基座顶板、摄影沟及下层预制看台前端）为Ⅱb类，属于寒冷地区的露天环境及与无侵蚀性的水与土壤直接接触的室外环境。

在环境类别上分得更细。像国家体育场分为两类：Ⅰ类为一般环境，无冻融，盐、酸等作用，主要的环境损伤为碳化引起的钢筋锈蚀；Ⅱ类为冻融环境，主要的环境损伤为反复冻融引起的混凝土冻蚀。结合环境作用等级，进一步可将环境作用对于混凝土结构的侵蚀分为4个级别：Ⅰ-A级、Ⅰ-B级、Ⅰ-C级、Ⅱ-C级。具体解释如下：Ⅰ-A级：环境作用程度可忽略。具体结构部位为三层、四层及地下室等室内部分。Ⅰ-B级：环境作用程度轻度。具体结构部位为1层、2层、5层、6层、7层及预制看台等有顶盖遮挡的露天环境，以及桩基、承台、基础底板、地下室外墙等与土壤接触的环境。Ⅰ-C级：环境作用程度中度。具体结构部位为基座顶板，Ⅱ-C级：环境类别Ⅱ类作用程度中度。具体结构部位为摄影沟及下层预制看台前端，因为摄影沟及下层预制看台前端属于寒冷地区受雨雪影响环境，由于摄影沟及下层预制看台前端是完全暴露的构件，便于及时发现问题，及时检修；即便出现了耐久性问题，对整体结构也没有影响。所以，在设计中，针对上述部位并不采取特殊的措施，结构做法与周围构件相同，方便施工。

确定了环境等级以后，接着就是要进行混凝土和混凝土组分的设计了。混凝土设计主要包括：混凝土的强度等级、水胶比、胶凝材料的最大与最小用量、混凝土中有害物质总量控制、混凝土特殊性能等。混凝土强度等级根据环境确定了混凝土强度等级不小于C40，预制混凝土构件的混凝土强度等级为C50；水胶比要求适中，满足混凝土和易性前提下，尽量地取比较小的值，但是也不能过小，要适中，最小胶凝材料用量不得小于320KG每立方米，避免使用碱活性骨料。再就是混凝土的特殊性能要求，比如说基础底板、桩承台采用补偿收缩混凝土，抗渗等级S8级，地下室外墙都是补偿收缩混凝土和纤维混凝土，避免了早期的混凝土裂缝，以至于对后期的混凝土控制是非常有好处的。

混凝土组分设计，这一块设计人员接触得比较少，主要是一些材料的要求，材料是比较关键的，我们也不太熟悉，但是作为一个耐久性设计如果不提出来的话，施工单位是无从去把握的，也无从去保证这个材料如何去做。一些措施是这样的，业主也拿出费用来给施工单位，所以我们根据耐久性指南的要求对这部分也做了一些工作。

这一块我大概地说一下，第一个水泥的品种。还有要控制水泥中有害的物质尽量少。第二粉煤灰。粉煤灰的要求要控制一些吸水比之类的东西。使用粉煤灰可以减少我们水泥的水化热，实际上就是减少收缩。也可以增加合一性，这是比较好的措施。细骨料，选择含泥量小于1%的级配良好的中砂。粗骨量要控制含泥量小于0.7%，都有一定的要求。实际上细骨料、粗骨料提出的要求主要是考虑到基配，基配好的话强度就可以提高，而且抗裂、防晒都可以得到保证。

对外加剂也提出了要求，外加剂的后期收缩比较大，但是前期膨胀也比较大，我们提出的要求是前提膨胀要适度，后期收缩要小，是这么一个要求，避免使用早强剂，因为吸收强度以后会形成早期的裂缝，所以避免使用早强剂。

再一点现在的外加剂使用很多，现在的外加剂不止一种，我们提出使用外加剂的时候一定要进行实验，实验一下相容性。还有要求外加剂的厂家提供与之相应的成分，减水率，化验一下碱含量，都需要他们提供，还有在施工中必须要注明注意的事项，而且进行现场的指导来控制外加剂的使用。外加剂的技术含量和碱含量也有一定的指标，技术人员都明确地提出来了。

水的要求也有明确的规范，要按照规范的要求来做。

总体组成的设计在国家体育场的设计中起到了一定的作用，我们提出这些要求的话才会引起施工单位的重视，就这些组分的问题我们开了很多会，包括搅拌站，专门跟混凝土的专家一起研究，最后一项一项地来严格落实，最终把混凝土的组分都控制在最好的状态下。

下面讲一下混凝土保护层厚度的决定。我们主要是根据混凝土的规范来参考指南。我们当时考虑的一个是结构造价可能多一点，而且我们考虑适合的混凝土的厚度增加。桩身主筋保护层厚度70mm；基础底板底面主筋保护层厚度55mm；一般桩承台底面主筋保护层厚度70mm；钢结构组合柱桩承台底面主筋保护层厚度100mm；基础底板顶面主筋保护层厚度25mm；地下室外墙（有防水作法）外侧主筋保护层厚度35mm；地下室外墙内侧主筋保护层厚度25mm；外围挡土墙接触土体一侧（无防水作法）主筋保护层厚度40mm；柱主筋保护层厚度40mm；梁主筋保护层厚度35mm；剪力墙主筋保护层厚度20mm；板（－1夹层、零层、夹层、一层、四层、五层）主筋保护层厚度20mm；板（二层、三层、六层、七层）主筋保护层厚度30mm；预制看台主筋保护层厚度25mm。

裂缝控制是耐久性的重点。在设计过程当中进行了深入的研究才得到相应的对策。主要是6块：一个是设计伸缩缝将整个看台上部结构分为6块，减少结构段长度，减低温度应力。

这是我们建立的模型。这是一个应力的分布。根据分析计算我们采取了不同的措施。

施工要求一共列了17项，就不细说。我们提出施工措施的话对施工单位也是有比较好约束的，谁也不敢乱弄。对施工企业来讲操作方面进行严格的监控，把施工开展确实保持得还不错。这就不细说了。

这是二次的地面搓毛，非常认真地在上面工作。

还有一个要说的是我们虽然定了施工措施，但是很大一部分还是要跟施工单位进行交流。比如说施工单位提出来砂石料不能达到要求的水平话，我们就要求你采购到市场上最好的砂石料来确定砂石料的水平。还有很高细长的物件无法施工的话，我们就提到水平高架是180，竖向高架是220、240这样。

再一个是维护和维修，主要是在使用阶段中一定要注意及时对有缺陷的地方进行维修。这一点实际上是非常周期的。我们进行耐久性进行了预测，包括地下室外墙、框架梁、框架柱，板、楼板、建筑、外观、混凝土的等级、钢筋的配置，还有混凝土判断的深度，还有碱含量和骨料活性等8个方面进行了检查。根据现场的检查、测试结果来对混凝土的材料耐久性构造措施、碱骨料反应风险、碳化速度进行预测。

最后的结论是这样的，国家体育场的混凝土结构在国内的民用建筑领域全面应用《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，现场监测表明，结构地下室外墙、钢结构承台、看台框架结构外观状况良好，仅有少部分构件存在影响混凝土耐久性的缺陷，主要为保护层偏薄、构件存在收缩裂缝等，此类构件所占比例小于检查到的构件总数的0.5%，这个结果还是比我们预期要好的。耐久性的评估结构梁约为101.7年，柱约为121.3年，板远大于100年，均满足于100年的要求。建议建立定期检测制度，对混凝土构件的碳化程度等指标要进行跟踪检测，以掌握结构老化进程，制订对应的耐久性维护策略。

好的，我的报告就结束了。