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??鉴于这一会议的论坛性质,以下仅就会上提出的一些问题及建议作一归纳,提交与会专家考虑并审议。
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??一、土建结构工程的安全性
??结构安全性是结构防止破坏倒塌的能力,是结构工程最重要的质量指标。结构工程的安全性主要决定于结构的设计与施工水准,也与结构的正确使用(维护、检测)有关,而这些又与土建工程法规和技术标准(规范、规程、条例等)的合理设置及运用相关联。
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??1.我国结构设计规范的安全设置水准
??对结构工程的设计来说,结构的安全性主要体现在结构构件承载能力的安全性、结构的整体牢固性与结构的耐久性等几个方面。我国建筑物和桥梁等土建结构的设计规范在这些方面的安全设置水准,总体上要比国外同类规范低得多。
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??1.1构件承载能力的安全设置水准
????与结构构件安全水准关系最大的二个因素是:1)规范规定结构需要承受多大的荷载(荷载标准值),比如同样是办公楼,我国规范自1959年以来均规定楼板承受的活荷载是每平方米150公斤(现已确定在新的规范里将改回到200公斤),而美、英则为240和250公斤;2)规范规定的荷载分项系数与材料强度分项系数的大小,前者是计算确定荷载对结构构件的作用时,将荷载标准值加以放大的一个系数,后者是计算确定结构构件固有的承载能力时,将构件材料的强度标准值加以缩小的一个系数。这些用量值表示的系数体现了结构构件在给定标准荷载作用下的安全度,在安全系数设计方法(如我国的公路桥涵结构设计规范)中称为安全系数,体现了安全储备的需要;而在可靠度设计方法(如我国的建筑结构设计规范)中称为分项系数,体现了一定的名义失效概率或可靠指标。安全系数或分项系数越大,表明安全度越高。我国建筑结构设计规范规定活荷载与恒载(如结构自重)的分项系数分别为1.4和1.2,而美国则分别为1.7和1.4,英国1.6和1.4;这样根据我国规范设计办公楼时,所依据的楼层设计荷载(荷载标准值与荷载分项系数的乘积)值大约只有英美的52%(考虑人员和设施等活载)和85%(对结构自重等恒载),而设计时据以确定构件能够承受荷载的能力(与材料强度分项系数有关)却要比英美规范高出的10~15%,二者都使构件承载力的安全水准下降。日本与德国的设计规范在某些方面比英美还要保守些。一些发展中国家的结构设计多根据发达国家的规范,就如我国解放前和建国初期的结构设计方法参照美国规范一样。至于中国的香港和台湾,至今仍分别以英国和参考美国规范为依据。这里需要说明的是,在其他建筑物的活荷载标准值上,与国外的差别并没有象办公楼、公寓、宿舍中这样大。不同材料、不同类型的结构在安全设置水准上与国际间的差距并不相同,比如钢结构的差距可能相对小些。
????公路桥梁结构的情况也与房屋建筑结构类似,除车载标准外,荷载分项安全系数(我国规范对车载取1.4,比国际著名的美国AASHTO规范的1.75约低25%)与材料强度分项安全系数均规定较低。
????尽管我国设计规范所设定的安全贮备较低,但是某些工程的材料用量反而有高于国外同类工程的,这里的问题主要在于设计墨守陈规,在结构方案、材料选用、分析计算、结构构造上缺乏创新。
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??1.2结构的整体牢固性
????除了结构构件要有足够承载能力外,结构物还要有整体牢固性。结构的整体牢固性是结构出现某处的局部破坏不至于导致大范围连续破坏倒塌的能力,或者说是结构不应出现与其原因不相称的破坏后果。结构的整体牢固性主要依靠结构能有良好的延性和必要的冗余度,用来对付地震、爆炸等灾害荷载或因人为差错导致的灾难后果,可以减轻灾害损失。唐山地震造成的巨大伤亡与当地房屋结构缺乏整体牢固性有很大关系。2001年石家庄发生故意破坏的恶性爆炸事件,一栋住宅楼因土炸药爆炸造成的墙体局部破坏,竟导致整栋楼的连续倒塌,也是房屋设计牢固性不足的表现。
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??1.3结构的耐久安全性
????我国土建结构的设计与施工规范,重点放在各种荷载作用下的结构强度要求,而对环境因素作用(如干湿、冻融等大气侵蚀以及工程周围水、土中有害化学介质侵蚀)下的耐久性要求则相对考虑较少。混凝土结构因钢筋锈蚀或混凝土腐蚀导致的结构安全事故,其严重程度已远过于因结构构件承载力安全水准设置偏低所带来的危害,所以这个问题必须引起格外重视。我国规范规定的与耐久性有关的一些要求,如保护钢筋免遭锈蚀的混凝土保护层最小厚度和混凝土的最低强度等级,都显著低于国外规范。损害结构承载力的安全性只是耐久性不足的后果之一;提高结构构件承载能力的安全设置水准,在一些情况下也有利于结构的耐久性与结构使用寿命。
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??2.调整结构安全设置水准的不同见解
????我国结构设计规范的安全设置水准较低,与我国建国后长期处于短缺经济和计划体制的历史条件有关。但是,能够对土建结构取用较低的安全水准并基本满足了当时的生产与生活需求,而且业已历经了较长时间的考验,这是国内土建科技人员经过巨大努力所取得的重大成就;但是,由于安全储备较低,抵御意外作用的能力相对不足。如果适当提高安全设置水准将有利于减少事故的发生频率和提高工程抗御灾害的能力。国内发生的大量工程安全事故,主要是由于管理上的腐败和不善以及严重的人为错误所致。现在提出要重新审视结构的安全设置水准,主要是基于客观形势的变化,是由于我们现在从事的基础设施建设要为今后的现代化奠定基础,要满足今后几十年、上百年内人们生产生活水平发展的需要,有些土建结构如商品房屋则更要满足市场经济条件下具备商品属性的需要。国内近几年来已对建筑结构安全度的设置水准组织过几次讨论,在如何调整的问题上存在较大的意见分歧,这次科技论坛上同样反映了这些不同的见解:
????1)认为我国现行规范的安全设置水准是足够的,并已为长期实践所证明,而国外就没有这种经验。我国取得的这一成功经验决不能轻易丢掉,在安全度上不能跟着英美的高标准走;安全度高了是浪费,除个别需调整外,总体上不必变动。
????2)认为我国规范的安全度设置水准尽管不高,但在全面遵守标准规范有关规定,即在正常设计、正常施工和正常使用的“三正常”条件下,据此建成的上百亿平米的建筑物绝大多数至今仍在安全使用,表明这些规范规定的水准仍然适用;但是理想的“三正常”很难做到,同时为了缩小与先进国际标准的差距以及鉴于可持续发展和提高耐久性的需要,在物质供应条件业已改善的市场经济条件下,结构的安全设置水准应适当提高。这种提高只能适度,因为我国目前尚属发展中国家。
????3)认为我国规范的安全设置水准应该大体与国际水准接近,需要大幅度提高。这是由于随着我国经济发展和生活水平不断提高,土建工程特别是重大基础设施工程出现事故所造成的风险损失后果将愈益严重,而为了提高工程安全程度所需要的经费投入在整个工程(特别是建筑工程)造价中所占的比重现在已愈来愈低,材料供应也十分充裕。过去的低安全水准只是适应了以往短缺型计划经济年代的需要,但决不是没有风险,如果规范的安全水准较高,曾经发生过的有些安全事故本来是可以避免的,而规范的这一缺陷在一定程度上为“三正常”的提法所掩盖。在建的工程要为将来的现代化社会服务,安全性上一定要有高标准。低的安全质量标准在参与将来的国际竞争中也难以被承认,即使结构设计的安全设置水准能够提高到与发达国家一样,由于我们的施工质量总体较差,结构的安全性依然会有差距。
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??3、结构设计规范的概率可靠度设计方法
????自1984年国家建委和国家建设部颁布了建筑结构设计统一标准以来,我国的建筑结构设计规范已从80年代末期起抛弃了传统的多安全系数设计方法,从而统一采用以概率理论为基础的可靠度设计方法;其它的工程部门如公路、铁路、港口、水利的结构设计规范也正在或计划作这样的转变。我国规范的可靠度设计方法是参考国际上的相应标准ISO2394并经过国内科技人员努力后得以实施的。将可靠度设计方法用于结构设计规范,在国际学术界内通常被看成是一种发展趋势,但在工程内界则存在不同看法。尽管有了ISO2394,国外却鲜有重要或著名的结构设计规范已直接采用了可靠度设计方法,至今仍采用多安全系数设计方法或称荷载抗力系数法。在我国,对于建筑结构设计规范中的可靠度设计方法以及企图将我国各个行业的各种结构设计规范都用可靠度方法统一起来的做法,虽然工程设计界颇有微词,但学术界持赞成和肯定者是主流,不过仍不时有人对可靠度方法用于设计规范的适用性提出质疑。这次科技论坛上则较为集中地反映了对规范可靠度方法的意见分歧。
????对我国规范的可靠度设计方法持肯定意见的专家认为这是重大的科技进步,可靠度方法对安全度的概率定义要比定值的安全系数更清晰、更科学、更合理,当然概率可靠度设计方法本身尚有不少缺陷,有待进一步修改完善。持相反意见的人则认为,结构设计规范所面向的是类型多样的复杂群体,在安全度上需要考虑的不确定性与不确知性非常复杂,并不是“从统计数学观点出发的概率定义”所能科学描述或处理;规范可靠度方法在我国十多年的实践表明,它并没有给结构设计的安全性带来明显实效,反而造成了安全概念上的某些混乱;对工程技术人员来说,结构的安全度用可靠指标和虚假的失效概率表达后变得更加不可揣摩和模糊不清,不如安全系数那样从安全储备出发的度量方法更为直观和便于处理具体工程的安全问题;现行设计规范中的可靠度方法很不成熟,存在不少根本缺陷;他们认为半概率的多安全系数方法更适用于规范,也不排斥可靠度分析的结果可以作为一种参考,在综合判断安全系数的合理取值时予以考虑。
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??二、土建结构工程的耐久性
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????土建结构工程的耐久性与工程的使用寿命相联系,是使用期内结构保持正常功能的能力,这一正常功能包括结构的安全性和结构的适用性,而且更多地体现在适用性上。
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??1、土建结构工程的耐久性现状
????大多数土建结构由混凝土建造。混凝土结构的耐久性是当前困扰土建基础设施工程的世界性问题,并非我国所特有,但是至今尚未引起我国政府主管部门和广大设计与施工部门的足够重视。
????长期以来,人们一直以为混凝土应是非常耐久的材料。直到70年代末期,发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至在更短的时期内就出现劣化;据1998年美国土木工程学会的一份材料估计,他们需要有1.3万亿美元来处理美国国内基础设施工程存在的问题,仅修理与更换公路桥梁的混凝土桥面板一项就需800亿美无,而现在联邦政府每年为此的拨款只有50~60亿美元。另有资料指出,美国因除冰盐引起钢筋锈蚀需限载通行的公路桥梁已占这一环境下桥梁的1/4。发达国家为混凝土结构耐久性投入了大量科研经费并积极采取应对措施,如加拿大安大略省的公路桥梁为对付除冰盐侵蚀及冻融损害,钢筋的混凝土保护层最小厚度从50年代的2.5cm逐渐增加到4cm、6cm直到80年代后的7cm,而混凝土强度的最低等级也从50年代的C25增到后来的C40,桥面板混凝土从不要求外加引气剂、不设防水层到必须引气以及需要设置高级防水胶膜并引入环氧涂膜钢筋。而我国遭受盐冻侵蚀地区的公路桥梁在耐久性设计方面至今仍无明确要求,对混凝土保护层和强度的要求仅为2.5cm与C25,与上面提到的加拿大50年代水准一致。国内按这种标准设计的一座大桥,建成后仅8年,由于盐冻侵蚀,现已不得不部分拆除重建。
????我国建设部于80年代的一项调查表明,国内大多数工业建筑物在使用25~30年后即需大修,处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15~20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好,一般可维持50年以上,但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30~40年。桥梁、港工等基础设施工程的耐久性问题更为严重,由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差,许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用十年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落,需要大修。京津地区的城市立交桥由于冬天洒除冰盐及冰冻作用,使用十几年后就出现问题,有的不得不限载、大修或拆除。盐冻也对混凝土路面造成伤害,东北地区一条高等级公路只经过一个冬天就大面积剥蚀。我国铁路隧道用低强度的C15混凝土作衬砌材料,密实度和抗渗性差,不耐地下水与机车废气侵蚀,开裂与渗漏严重;对几个路局所辖的隧道进行抽样调查表明,漏水的占50.4%,其中1/3渗漏严重,并导致钢轨等配件锈蚀以及电力牵引地段漏电,影响正常运行,而1999年颁布的铁路隧道设计规范仍未能对隧道的耐久性问题采取适当的对策,如适当提高混凝土的最低强度等级和在混凝土中掺入化学纤维等。
????耐久性问题的严重性和迫切性在于我们许多正在建设的工程仍未吸取国际和国内的大量惨痛教训,还沿着老路重蹈覆辙。一些北方城市新建成的立交桥和高速公路桥,仍没有在材料性能和结构构造等方面采取必要的防治冻融和盐害的综合措施。甚至大型工程如2000年投入运行的珠海莲花跨海大桥,其主体结构在浪溅区仍采用不耐海水干湿交替侵蚀的C30混凝土与3~4cm厚的保护层厚度。
????有专家估计,我国“大干”基础设施工程建设的还可延续20年,由于忽视耐久性,迎接我们的还会有“大修”20年的,这个可能不用很久就将到来,其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。
????使混凝土结构的耐久性问题进一步加剧的原因有:
????1)由于混凝土的质量检验习惯上以单一的强度指标作为衡量标准,导致水泥工业对水泥强度的不适当追求,使水泥细度增加,早强的矿物成份比例提高,这些都不利于混凝土的耐久性。我国对水泥质量的检验在强度上只要求不低于规定的最低许可值,而国外则同时还要求不高于规定的最高值,如果强度超过了也被认为不合格,这种要求还有利于水泥产品质量的均匀性。
????2)工程施工单位不适当地加快施工进度,尤其是政府行政领导对工程进度的不适当干预。混凝土的耐久性质量尤其需要有足够的施工养护期加以保证,早产有损生命健康的概念同样适用于混凝土。国内媒体上大加宣传的所谓几个月就修成一条大路、建成一座大桥、或盖成一幢高楼的工程以及抢工献礼工程,很可能就是今后注定要花掉更多资金进行大修的短命工程。提前完成合同规定施工期的在国外要被罚款,因为意味着工程质量有遭到损害的可能。
????3)环境的不断恶化,如废气、酸雨,我国的酸雨面积已超过国土的30%。
????当前迫切需要进行的工作是尽快编制桥梁、隧道、港工等基础设施工程耐久性设计的技术条例,修订补充现行规范中对结构耐久性的要求。首先需要明确的是各种基础设施工程的设计工作寿命,在重要工程的设计文件中必须有使用寿命的要求和论证。当前在建的众多工程在耐久性上之所以仍然沿着重蹈覆辙的道路走,很重要的一个原因是工程设计施工技术人员在耐久性上没有可资遵循的新依据。更为严重的是现行规范中的有些条文,本身就对耐久性有害。为了提高混凝土耐久性,在混凝土中合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺合料是重要的技术手段,国外有的规范甚至规定在桥梁等混凝土结构中必须加入粉煤灰等掺合料,而我国的铁路混凝土桥隧施工规范仍在明文禁止使用。此外,工程技术界还存在长期形成的一些过时的看法,对改善混凝土的耐久性能造成阻力。例如,顾虑会影响混凝土强度而不愿使用引气剂,而引气本应作为改善混凝土耐久性和工作性的常规手段;又如,希望加大水泥用量来保证混凝土强度,而尽可能低的水泥用量本应是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径。
????在修订规范的耐久性要求上,交通部于2001年颁布的港工混凝土结构防腐蚀技术规范已为其它土建工程行业起到较好的示范作用。我们一方面要参照国内外已有的资料和经验,尽快编写出相应的设计施工技术文件以应急需,另一方面则要安排系统的研究项目,加大耐久性研究工作的支持力度;混凝土结构的耐久性是当前国际上结构工程学科最为重要的前沿研究领域之一,而我国在这一方面相当落后。混凝土的耐久性研究离不开原材料和环境等特定条件,需要考虑本国的特点,是不能完全依赖国外研究成果的。
????重视混凝土结构的耐久性也是可持续发展的需要。生产混凝土所需的水泥、砂、石等原材料均需大量消耗国土资源并破坏植被与河床,水泥生产排放的二氧化碳已占人类活动排放总量的1/5~1/6,而我国排放的二氧化碳量已居世界第二。我国现在每年生产5亿多吨水泥,与之相伴的是年耗20多亿方的砂石,长此以往实难以为继。延长结构使用寿命意味着节约材料,而耐久的混凝土一般又应是水泥用量较低和矿物掺合料(工业废料)用量较高的混凝土,所以耐久的混凝土正适应环境保护的需要。国际上对桥梁、隧道等土木工程的设计工作寿命多为100年,有的如英国为120年。考虑到耐久性不足所造成的巨大经济损失和资源浪费,国际上近年来有要求将这些工程的最低工作寿命进一步延长的趋势,如提出城市环境中的桥梁至少应有150年。
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??2.土建结构工程使用阶段的正常检测与维护
????结构耐久性和使用寿命的概念,与使用阶段的检测、维护和修理不能分割,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程来说尤其如此。为了保证结构安全性和耐久性,一些工程在建成后的使用过程中,应该进行定期检测和维护。我国有结构工程的设计规范与施工规范,但没有如何使用的规范。有些工程倒塌事故,例如最近四川宜宾的南门大桥发生桥面坍落事故,就是因为桥面结构与主拱之间的吊杆在连接处发生锈蚀,如果有定期的检测要求,这样的事故很有可能避免。有些国家对于结构的损坏可能导致公众安全的建筑物与桥、隧等公共工程,强制规定必须定期检测;即使是建筑物的玻璃幕墙和外墙面砖等建筑部件,因其坠落后容易伤及公众,也有强制定期检测的要求。我国由于施工管理水平和事故操作人员的素质相对较差,质量控制与质量保证制度不够健全,规范对结构安全与耐久性的设置水准又相对较低,已建的工程中往往存在较多隐患,所以更有必要从法制上确定土建工程的正常使用和定期检测的要求。对于土建结构工程的安全质量,虽然政府已作出了设计与施工的责任单位和个人需对其“终身负责”的规定,但是这种要求执行起来缺乏可操作性。要将结构安全质量事故减少到最低程度,还应以预防为主,通过例行检测及时发现问题。
????现在国内有大量土建工程因步入老化期需要诊治,也有大量已建的违章工程需要评估,更有许多工程发生病害需要诊断和加固,各地已涌现了不少从事土建工程诊断、治理与加固的队伍,并有蓬勃发展成为一种新兴行业的趋势。出现问题和病害以后再来治理固然重要,但是我们应该更加强调预防。对于在役土建工程的检测和评估,要建立相应的法规和标准,要有从业人员的注册和从业机构的资质认证制度,在管理体制上予以规范。
????从国家对公共工程建设的投资和对工程设计的要求来看,需要有工程整个使用期限即全寿命费用支出的论证。只注意工程项目建设的一次投资支出,很少考虑工程建成后需要正常维护与修理的长期费用,不但可能损害工程使用寿命和正常使用功能,而且经济上算总账会很不合算。在发达国家,由于新建工程少,用于维修的费用往往更为主要,英国1978年的土建维修费上升到1965年的3.7倍,1980年的维修费占当年土建费用总支出的2/3。我国虽是发展中国家,现在正大兴土木,可是过去建成的大量工程已经或过早老化。国内40%公路桥梁的桥龄已大于25年,加上进入90年代以后交通量猛增,超载严重,以往的设计标准又低,路、桥的维修问题十分突出。由于养护维修费用得不到保证,造成工程安全隐患并在以后需要支出更多的大修费用。在土建工程的投资上,希望有关部门能加大已建工程维修的费用。
????为加速路桥等公共工程建设,国家现在鼓励投资公司出资并给以一定期限如30年的经营收入作为补偿。如果对重要土建工程有必须进行定期检测与评估的法规,就能保证这些工程在一定期限后归还国家管理和经营时的良好功能,对于设计工作寿命为100年的桥梁,至少还可正常使用70年,而不至于30年到期后国家接收的已是一个破旧的工程。
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??三、技术规范的作用与管理
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????这次科技论坛对于土建结构工程技术规范的定位、作用与管理也进行了讨论并提出了一些看法。
????长期以来,受计划经济体制的影响,我们往往视技术规范为法,将规范的具体规定和要求等同于法律条文来对待。技术规范或规程,与各种技术条例、技术要求、工法、指南等技术文件一样都是技术标准,本身不具有法律作用,只当工程各方(业主、设计、施工企业)认同作为设计与施工的依据并在契约的基础上,才能作为法律仲裁的依据。将技术问题法制化并强制执行,不利于技术进步和创造性的发挥,反而容易成为推卸责任的借口。当然,政府部门从国家和公众的整体利益出发,需要在安全、环保等重大原则上对土建工程的设计施工提出必须满足的最低要求并制定相应的法规,但法规一般并不需要提供如何达到这些要求的具体技术途径和方法,后者是技术标准的任务。政府也可以原则认可或批准某些重要的技术规范或其中某些内容使用。
????土建工程有着强烈的个性,需要工程技术人员针对具体特点去解决设计与施工问题。所以规范作为技术标准宜强调其指导性而不是强制性。如果规范条文看作为一般意义上的法律条文,就有可能束缚设计施工人员的主动创造性并阻碍新技术的应用。。我国土建工程在结构设计上与国外相比的最大差距就在于方案与技术上的创新,这与以往过分强调规范的法律地位从而形成所谓“结构设计就是规范加计算”的倾向不无关联。我国的技术规范在编写风格上也有模仿法律的倾向,极少提及使用者需要注意规范可能存在的某些不足之处或允许并鼓励使用者在某些问题上可以另辟蹊径。如果在设计施工中要取代规范中已经落后过时甚至有害的技术规定,则无异于违法行为。相反,只要墨守规范,即使出了事故,就可不负法律责任。这样就在客观上降低了对工程技术人员的业务技能要求与职责要求,不利于提高我国建筑企业和从业人员的素质以及参与今后的国际竞争。为了消除这些负面影响并杜绝钻规范条文的空子进行偷工减料,应有必要建立这样的共识并作出规定,即遵守了规范条文并不意味着就可免除法律责任。国外有些规范就是这样规定的。
????企图不断加强技术规范的强制性来解决屡禁不止的工程事故,不是解决问题的有效途径。现在,有关主管部门将建筑结构设计规范中的部分条文抽出来,明确列为强制性条文,同时规定各个设计单位完成的设计,须通过有关部门或其授权委任的其他企事业设计单位的审查,而审查的主要内容就在于对照规范强制性条文的要求,其任务已类似于执法;这种做法是否明智似可商榷。我国土建工程事故频繁的原因,主要在于管理不善,特别是管理环节上的腐败;其次是施工操作人员素质低,又难以短期解决;过分强调规范的地位与作用,未能建立与规范配套的完整标准体系,比如缺乏指南、工法等更为详尽具体的技术文件,可以用来指导和规范设计与施工的各个具体环节,也有一定的关系。从设计角度看,出现事故主要不是由于没有按照规范强制性条文的规定,而是方案性的错误或忽略主要的设计条件;也有一些工程则因过去的设计标准过低,耐久性不足,在使用过程中又缺乏应有的例行检测而导致失效。其实,要做到设计规范强制条文的要求最为容易,为此请专业人士审查似无必要。重要的工程设计应规定请专业单位全面审核,其要点也应在结构方案、构造方法与计算分析的原则上。从结构设计的国家规范中抽出的强制性条文不免支离破碎,个别条文的规定也不一定适合某些地区和某些工程的具体特点,反而造成麻烦。
????我国幅员广阔,各地经济发展很不平衡,技术力量悬殊,环境条件各异,客观上要求规范能给设计人员更多灵活性,少一些强制性,这样才能更好地在规范的指导下,根据工程的特点和具体条件去解决问题。总之,在规范标准上,要摆脱计划经济年代遗留下来的过分强求统一、较少考虑个性和缺乏实事求是灵活性的倾向。要提倡和鼓励各省市编制地方性规范,在工程的安全性和耐久性标准上,可有不同的设置水准。比如上海、北京、广州这些大城市应该高些,在抗震防灾要求上,更应区别对待。全国性的规范订得愈详细,其适用性可能变得愈差,造成的混乱也可能愈多;特别象岩土工程那样的规范更是如此。
????技术标准中的强制性越多,也意味着政府有关部门在具体技术问题上需要承担的责任越重,而这些本来不该是政府部门的职责。规范中的要求是最低要求,在安全设置水准上,政府需要干预的也应是保证公众安全的最低要求。对于土建结构的抗震设计,政府有关部门至今仍规定任何部门和个人不得随意提高抗震的设防标准(建抗586号文件)。事实上,如将商品房的抗震设防烈度提高1度,抗震能力可提高约1倍,而增加的房屋造价相当有限,在众多城市中可能仅及居民用于室内装修费用的几分之一。政府的这一规定无异于限制居民只能购置抗震安全质量标准最低的房屋,如果发生地震造成损害,有关部门如何解释?
????规范等技术标准的管理体制亟待改善。建国以来,由政府部门负责统管并指定有关企事业单位分别承担每本规范编写和修订工作的做法已越来越不能适应当前的形势,有些在经费和人力上得不到保证,平时基本上没有专门人员去搜集了解规范使用中的问题并及时修改补充规范条文;面对新的结构型式、新的材料和新的工艺,规范的过时条文不但成为推广新技术的阻力,而且有被误用或盲目套用而造成工程质量安全事故。
????发达国家有关土建结构工程的规范及与之配套的各类技术标准多由行业协会或专业学会编制及管理,规范的翻新周期短,不象我们要长达10年以上。我国的学会与协会重复设置,分工不明,并且至今还依附于某一政府部门,基本上只起到政府职能部门非官方代言人的作用,距离独立和富有活力的健全机构还差的很远,如何发挥这些机构在技术标准编写和管理中的作用也是值得探讨的一个问题。建议随着改革的深入,整顿合并有关的学会、协会,加强其职能,并逐渐成为技术标准编制管理的主体。
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??四、准备提交政府有关部门考虑的建议
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????为了改善我国土建结构工程的安全性与耐久性,这次论坛中提出了以下建议供政府有关部门考虑,:
??1、桥梁、隧道、道路、港口等基础设施工程的混凝土结构耐久性,已是当前亟待采取措施应对的重大问题。否则,一些工程的正常使用功能和安全性将得不到有效保证,我国的现代化建设和国民经济会蒙受巨大损失,并将给生产和公众生活带来长期困扰。
????建议国家建设部、交通部、铁道部主管土建工程设计标准的部门,能对工程的耐久性要求作重点审查,明确土建工程的设计应有最低使用寿命的要求,重要工程的设计文件中应有正常使用寿命和耐久性设计的独立章节与论证;
????建议国家自然科学基金委员会能在今后一段时期内对混凝土工程耐久性的基础理论研究给予重点支持;
????建议国家安全生产监督管理局为在近期内编订有关法规标准给以立项资助;
????建议中国工程院土木水利建筑学部在其咨询研究项目中,联络国内有关专家,促进土建结构耐久性设计指导性技术条例的编制。
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??2、土建工程使用过程中的安全性,应有定期的检测和正常的维护修理加以保证。对于重要土建工程,我国尚无必须进行安全检测的法规。在基础设施工程的投资上有重新建、轻维修的倾向,不利于工程寿命和投资效益。
????建议对桥、隧等重要公共基础设施和公共建筑物,在其使用期内实施强制性的定期安全检测。为此,需要制定法规,编制相应的技术标准;对于土建结构工程的检测与评估,需要建立从业人员的注册制度和从业机构的资质认证与监管体制。凡属已建工程的安全诊断也可一并归入这一行业。
??建议政府有关部门在桥、隧、道路等土建基础设施工程投资上,根据需要,加大工程维修费的比例。
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1、钢结构施工时对材料的选择和链接处理。钢材作为建筑材料一般被划分为型材、板材、管材以及金属制品四类,而在土木工程的建设中一般选用普通的低碳钢和低合金钢以及优质的碳素钢。对于钢结构之间的连接则应根据钢结构的形状选择相应的连接方法。例如对柱子截面的焊接一般采用“工”字或“十”字,而对于梁的焊接多采用“H”型钢梁,如果建筑风格上对焊接有特殊要求还要根据具体要求进行特殊焊接。在焊接之时应采用高强螺栓对梁与梁、梁与柱进行连接,同时注意螺栓孔位的精确位置。
2、要注意合理堆放钢结构,正确选择施工机械的安装地点。对于土木工程的钢结构建筑施工而言,由于其钢材的堆放面积一般小于钢结构建筑的施工面积,因此材料中转堆的摆放位置就显得尤为重要。按照正常的施工顺序,把钢材从中转堆运送到钢材的具体安装位置一般采用机械进行运输,所以,中转堆的摆放位置必须在机械的运送范围之内。同时,应及时对因运输而导致变形的构件加以现场矫正,保证施工顺利进行。
3、钢结构的油漆技术。对钢结构进行油漆的过程一般分为以下几步:首先,在清理钢材表面的同时对钢材做除锈处理。在油漆前,对要使用的钢材进行反复打磨,使钢材表面保持光亮、细腻,然后用棉布细致的擦去打磨留下的碎屑。其次,在对钢材进行油漆时,要用细刷仔细地将钢材表面刷满,同时注意不要让油漆进入到铆孔中去。第三,油漆干燥后,应采用与油漆相适应的腻子再次对钢材进行打磨,去掉油漆粉刷时的缺陷。第四,在腻子也干燥后再一次对腻子进行打磨,使之干净平整,色泽细腻均匀。最后,做好涂刷油漆后的检查工作,避免差漏。
二、钢结构施工管理要点
(一)工程施工前的管理要点
在对钢结构工程施工之前,施工的管理人员首先就是要明确钢结构工程在施工时的简要流程,了解钢结构施工工程的质量验收方法和验收规范,保证能完全按照钢结构施工工程的质量要求进行严格的检查和验收,并将验收成果及时反馈给工程的承包人员。
(二)工程施工中的管理要点
1、对施工放线的管理。施工人员应该首先认识到施工放线的重要性,及时对建筑物的基础和定位轴线进行确定,对地脚螺栓的位置进行明确规划,避免在进行钢架定位时产生螺栓与柱脚相互碰撞的情况,避免造成钢架底面因碰撞产生变形,并尽量减少钢架与地面的接触范围。
2、在预埋混凝土内的螺栓时要注意螺栓的位置、大小、长度等,对螺栓进行黄油包裹,没有黄油时可采用塑料包裹,避免混凝土材质对螺栓造成污染和腐蚀。
3、注意对钢架结构加工的管理。对钢架结构进行加工在整个土木工程施工中有着十分重要的地位,钢架结构质量的优劣直接影响着建筑整体的使用性能,因此,对于钢结构的加工的每一个步骤都要认真执行,严把质量关。其中尤其要注意的是选材一定要是工程指定的型号,螺孔、加强版、倾斜标记、基准线等需要标明的数值或者位置记号也要进行详细确认,必要时可以为工程制定样板。
4、具体安装时的注意事项。安装前要注意仔细制定安装计划,对钢结构材料做最后一次的的核查。在按装开始后,第一项安装内容一般是对轨道进行安装,轨道安装时应注意横梁打孔、泥沙浆的灌入问题;第二项一般是对屋架结构进行安装,安装时应注意在安装较大工程时注意结构跨度。通常情况下可采用先安立柱再安钢梁的方法,同时注意立柱垫铁的平整性和与地面连接部位的稳定性。而一旦结构钢梁出现长度值较大的情况时,一般要采取双机抬吊等方法进行钢梁运输安装,防止钢梁在安装时变形。在进行屋顶拼装时,通常情况下施工团队会采用平拼法,注意根据工程设计图纸进行拼装。
5、对钢结构进行油漆时的管理。在整体结构安装完成后还要对钢结构的建筑主体进行修饰,首先注意清理钢结构金属表层上的污迹,像是浮土、灰浆等都要清理干净。特别是要注意钢结构的锈蚀问题,安装前后要对钢结构进行两次除锈,保证钢结构的使用寿命。同时在对钢结构进行油漆施工的管理上,一般为了延长油漆的附着时间,保证钢结构的使用期限,会在油漆之前对钢结构的表面进行磷化底漆处理,然后再涂油漆、腻子等。同时,特别注意涂刷油漆后要反复仔细的检出,避免错漏涂刷对钢结构产生不良影响。
1前言
21世纪是地下空间作为重要资源开发的世纪,人防工程不仅在战争时期是国家防御体系的重要组成部分,在和平时期的经济建设中同样有着十分重要的地位,但是长久以来地下建筑工程的渗漏已是建设者们伤透脑筋的大事,由于地下室不同程度的渗漏水限制了已建人防工程的开发利用,每年不得不投入大量人力、物力、财力进行维修,所以提高防水效果是当前人防工程建设中需解决的重点问题之一。2001年新修订的《地下工程防水技术规范》(GB50108-2001)把结构自防水明确规定为“应选”,而不是旧规范的“宜选”,体现了以结构自防水为主的思想,结构自防水是人防工程防水的治本措施,提高结构自防水质量是提高人防工程最终防水效果的关键。根据自己亲自参与人防工程设计、质监及施工的实践,谈谈提高人防工程结构自防水中应注重的几个问题。想对当前人防建设起到抛砖引玉的作用。
2影响人防工程结构自防水质量的主要因素
2.1工程地质方面。工程地质对基础的均匀沉降有重要影响,是影响人防工程防水效果的关键因素之一。湖南有些城区地质状况较复杂,岩溶和土洞均有不同程度的分布,属地质灾害发育的场地,如果工程地质状况未掌握清楚,地质钻探深度不到位或抄袭相邻的地质报告,工程地质报告未正确反映土层性质、地下水和土工试验情况,则会造成结构设计方案欠佳,施工措施不到位,可能导致基础不均匀沉降,出现人防地下室渗水现象。
2.2设计方面。在认识上,未真正树立以混凝土结构自防水为防水之本的设计理念,在实际工作中往往重防水材料,轻防水混凝土。在设计时,强调防水混凝土的强度等级,而对混凝土抗裂性能未引起足够重视。细部结构和配筋不合理,防水设计与工程结构设计未很好结合,结构形式设计过于复杂。同时,人防专业设计单位缺乏,非专业设计单位的设计人员掌握的人防工程设计知识参差不齐,造成人防工程设计问题较多,使工程质量受到影响。
2.3施工方面。原材料质量控制不良,坍落度控制不好,施工缝等细部结构处理不当,混凝土浇注后未按照施工规范要求进行养护。混凝土结构自防水施工是个精细过程,必须合理地选用配合比、水灰比、坍落度等参数,把好混凝土浇筑、振捣关,注意养护时间和条件,否则将导致混凝土内部出现空隙,结构表面出现裂缝。
2.4监督管理方面。对防水工程质量监督检查不严,未严格按有关规定进行工程全过程监督检查。图纸设计不够规范,设计审查不严。施工前未认真进行图纸技术交底,承包人未掌握防水施工要点,不少人防工程在建设的关键环节和关键部位上,现场监督没有完全到位。对监理公司的监督管理不严,素质和技术管理水平不高,甚至存在无专项资格的监理。
3提高人防工程结构自防水质量的措施
3.1选用合理的结构形式。结构自防水是利用结构本身的密实性、憎水性以及刚度,提高结构本身的抗渗性能,它要求结构本身必须具备一定的刚度,而合理的结构形式是提高结构整体刚度的关键。因此,在结构选型方面,应根据防护要求、平时和战时使用功能、工程地质和水文地质条件等因素综合确定,避免结构平面突变或断面刚度突变,尽量使结构平面选型规整,借以提升结构的整体刚度。
3.2科学设计防止混凝土开裂方案。提高混凝土结构自防水性能关键是控制钢筋混凝土裂缝的产生,在地下工程防水设计中,应特别注重防止混凝土开裂的设计方案,从混凝土强度设计及材料选用、钢筋及拉结筋布置、防止不均匀沉降等方面减少和控制混凝土开裂。
3.2.1选择适宜的主体结构材料强度。提到防水混凝土质量,人们自然想到如何提高强度和抗渗等级,混凝土设计强度、抗渗等级越高,单位水泥用量也就越多,水泥水化产生的热量也高,收缩变形加大,结果导致混凝土结构开裂。因此,要根据使用功能、防水等级、工程埋深等,考虑适宜的人防地下室工程主体结构材料强度,混凝土强度等级不宜低于C30,但也不应过高,抗渗等级应根据工程埋置深度在S6~S12范围内选用。
3.2.2合理选择混凝土原材料及配合比。一是正确选择水泥品种和用量。一般选用水化热较低的水泥,在保证混凝土强度和其他性能的前提下,通过优选砼配合比,尽量减少水泥用量。二是严格骨料质量,特别应重视粗骨料的选择,宜选用表面粗糙、质地坚硬、级配良好、空隙率和含砂率小的石料。三是掺用符合国家标准要求的粉煤灰替代混凝土中的部分水泥制成粉煤灰混凝土,降低水化热,增加密实性,增强砼后期强度,提高砼的抗掺性和抗裂性。四是掺入适量的膨胀剂,配制成补偿收缩混凝土。补偿收缩防水混凝土不但可以减少混凝土在各龄期的收缩值,而且使混凝土在硬化过程中推迟了收缩的产生时间,提高了混凝土抵抗收缩应力的能力,从而减少了收缩裂缝的数量。
3.2.3钢筋布置的设计。一是适当增加墙体水平构造筋。墙体受力钢筋过多,水平构造筋过少是墙体容易开裂原因之一。为了防止这些裂缝的产生,可以采用螺纹钢筋,并适当减少水平构造筋的间距,增加墙体水平构造筋,以提高混凝土极限拉伸强度。二是合理设计拉结筋结构。在设置拉结筋时,采用“梅花型”布置,尽量少而精。双面配筋采用统一的模数确定钢筋间距,保证双面钢筋交叉点连线垂直于钢筋网。在拉结筋中间焊接止水环,或将拉结筋与模板拉杆二者结合起来,合设一个止水环。
3.2.4防止基础不均匀沉降。在开始设计前,要取得全面、准确的工程地质情况资料。在设计时应注意上部结构的均衡布置,以减少上部荷载不均导致沉降差,地基基础设计以控制变形值为主,设计单位必须进行基础最终沉降量和偏心距离的验算。岩溶和土洞有不同程度分布的人防工程,应对持力层范围内的岩溶、土洞进行相应处理,在地基土的压缩性有显著不同处或在地基处理方法不同处设置沉降缝。
3.3提高防水混凝土的施工质量
3.3.1控制好原材料的质量。混凝土的原材料必须符合现行国家标准、施工及验收规范和设计的有关规定。在施工前进场材料必须现场抽样检验,达不到要求不得使用,重点控制好水泥的用量、强度,砂石含泥量及级配,要通过增加优质粉煤灰等来减少水泥用量,避免混凝土实际强度超过设计强度,提高抗裂性能。
3.3.2把好混凝土浇筑、振捣关。混凝土应分层浇筑、分层振捣,相邻两层浇筑时间应根据气温情况合理确定,以确保上、下层混凝土在初凝之前的牢固结合。混凝土泵送入模时,应使其水平均匀入模,并控制其自由倾落的高度。混凝土振捣前应先根据具体的结构物设计振捣点,振捣时间一般为10~30s,以混凝土开始出浆和不冒气泡为准,避免漏振、欠振和超振。
3.3.3选择合理的混凝土坍落度。实践证明,在同等条件下,混凝土坍落度越小,混凝土早期收缩越小,施工后主体结构出现的裂缝越少。用于防水的商品混凝土入模坍落度应控制在120±20mm,目前,人防地下室普遍采用混凝土泵送施工方法,为控制坍落度同时又保证可泵性,应选择质量好的混凝土输送泵,最好选用进口混凝土输送泵。
3.3.4设置、处理好细部构造。混凝土应尽量做到连续浇筑,不留或少留施工缝。施工缝的设置,主要考虑一次混凝土浇筑强度和有效控制混凝土的收缩裂纹,在施工缝处继续浇筑混凝土前,对接缝表面应进行凿毛处理,粘贴遇水膨胀止水条或中埋式止水带。因工程设计需要设置后浇带的地方应提高施工质量,采用补偿收缩混凝土,其配合比应经试验确定,施工前,应将接缝面用钢丝刷认真清理,凿去表面砂浆层,完全露出新鲜混凝土后再浇筑。
3.3.5重视混凝土拆模及养护工作。抗裂防水混凝土由于掺加了大量矿物掺合料,早期强度增长一般较为缓慢,后期强度有较高的持续增长,因此拆模时间和养护制度与普通混凝土不同,混凝土侧模的拆除时间一般比普通混凝土晚2d,严禁过早拆模。混凝土终凝后应进行养护,养护时间不少于14d,以防止在硬化期间产生干裂。
3.4加强质量监督管理,把好设计审查、施工监督、竣工验收关
3.4.1坚持标准,严把设计审查关。要选择有资质的设计单位,提高设计质量。抓好施工图设计审查,对不符合人防工程建设设计规范、强制性条文及行业标准的施工图,提出审查修改意见,由设计单位进行修改,经审核批准后方可施工。进行设计交底和图纸会审,使施工单位熟悉设计图纸,了解工程特点和设计意图以及人防工程施工的质量要求等。
3.4.2跟踪到位,严把施工监督关。人防工程质监部门要对建设、勘查设计、施工、监理单位在工程建设中作出的具体质量行为合法性进行监督检查,对每一项报监工程制定质量监督计划,对关键工序、关键部位、关键环节实行跟踪监督检查,采取法律、经济、行政手段及时纠正问题,严防不合格的工序质量形成或进入下一道工序。建设、施工单位要建立健全质量管理制度,设置工序控制点,把好工程材料进场关,加强施工过程质量控制,杜绝随意变更设计和不按审查批准的设计图纸施工现象的发生,确保设计、施工方案和质量保证措施在实际工作的落实。
3.4.3规范管理,严把竣工验收关。利用人防工程竣工验收备案这一强制手段,强化监督管理,检查设计、施工等环节的工作成效,对存在的问题要求及时整改,使得不合格的工程不能备案,更不能投入使用。
4工程实践
某综合楼地上十二层,地下二层,建筑高度约56m,总建筑面积约10.41万m2,该工程地下一、二层为汽车库及配套设备用房,其中,主楼地下二层设有部分人防地下室,防水等级为一级。近年来,由于结构裂缝影响人防工程地下室正常使用的问题越来越突出,该工程一开始就对结构自防水问题认真对待,确定“综合治理,以混凝土结构自防水为主”的防水原则,重点对结构自防水采取了以下措施:
4.1强化地质状况调查,采用合理的主体结构形式。根据该工程所在地的地质情况,对持力层范围内的岩溶、土洞进行了相应处理,设人防地下室的主楼基础形式通过采用复合地基和调整桩基的桩长、桩数、桩径等来调整各部分的沉降量。地下室布置规整,为现浇钢筋混凝土结构,从结构选型方面提高了结构整体刚度。
4.2优化配合比设计。混凝土配合比经与混凝土厂家反复试配后慎重决定。如C45、S8剪力墙1m3混凝土各种材料用量分别为:水泥340kg、河砂649kg、碎石1058kg、粉煤灰73kg、矿碴73kg、缓凝高效减水剂7.29kg、水180kg,即配合比为1:1.909:3.112:0.215:0.215:0.021:0.529。本配合比最大特点是通过掺入优质粉煤灰和矿碴(每m3混凝土掺入量达146kg),减少了水泥用量,降低了混凝土最高绝对温升,同时节约了成本。
4.3严格施工工艺和方法。严格控制混凝土坍落度,当坍落损失后不能满足施工要求时,加入原水灰比的水泥浆或二次掺加减水剂进行搅拌,严禁直接加水。严格控制混凝土入模温度,避免在高温时段灌注混凝土。主体结构施工时,采用合理振捣方法,拆模时间不宜过早,混凝土养护及时到位,采用混凝土养护自动喷淋系统。
4.4加强工程质量的监督。对设计中存在的问题提出了审查修改意见,经再次审核批准后施工。制定了该项目质量监督方案,对关键工序进行重点监督抽查验收。
该人防工程地下室建成近一年来,工程质量完好,未出现渗漏水现象,取得了良好的效果。
5结语
以上是多年来自己从理论到实践从事人防工程设计、施工、质监工作中的点滴体会,是对人防工程结构自防水问题的研究和探讨,总的来说可以归纳总结出提高人防工程结构自防水质量的“一个理念、一个重点、四项手段”的解决方案。即树立“混凝土结构自防水为主,防排结合”的理念;以防止混凝土开裂为重点,提高人防工程防水耐久性;采取“四项手段”:一是选择规整的结构平面形式,二是从混凝土强度选择、优化配合比、钢筋及拉结筋布置、防止不均匀沉降等方面科学设计防止混凝土开裂的方案,特别是针对龙岩优质粉煤灰较多情况,在保证混凝土强度的前提下,减少混凝土中水泥用量,增加粉煤灰用量,三是提高防水混凝土施工质量,特别是在许可的范围内尽可能降低混凝土坍落度,把好混凝土浇筑、振捣、养护关,四是加强质量监督管理,做好防水混凝土施工前、施工中和竣工的全过程质量监督管理。希望能对提高人防工程结构自防水有所帮助,不当之外,请批语指正。
参考文献:
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[2]中华人民共和国国家标准.GB50134-2004,人民防空工程施工及验收规范.
[3]朱祖熹.浅谈地下工程防水规范实施中的若干问题.施工技术2003.(03)
公路工程结构物混凝土外观存在的常见质量问题为气泡。现今的公路工程施工技术无法做到对此问题完全避免。气泡外观问题产生的主要原因为:在混凝土的振捣中,施工力度偏弱,浇筑厚度缺乏科学合理性或是在进行拌合操作时,未对相应的坍落度进行有效控制。气泡外观问题作为混凝土外观问题中最为主要且常见的一大问题,对其实行必要有效的控制措施,极为重要且关键。
1.2粘膜问题
有部分公路工程在施工中,混凝土表面在完成粘膜施工后悔簇拥那种缺损问题。粘膜问题的产生对整个混凝土的外观质量造成了极为不利的影响,还可能会对整个结构物的内部结构质量产生不利影响。粘膜问题的产生原因为:在对公路工程进行浇筑操作时,整个混凝土的下落距离未控制在科学范围内,存在过大的问题。从而致使混凝土在掉落至地面后,又反溅于模板之上。或是施工中机械设备存在故障,无法及时进行浇筑操作,或是中间暂停时间偏长,致使混凝土材料出现逐渐硬化的问题,最终导致粘膜问题产生。另外,公路工程施工作业时,整个气候环境较为恶劣,温度偏高,致使脱模在经过阳光直射后,在较短的时间内发散,继而出现粘膜问题。粘膜问题的产生因素多种多样,模板的表面光滑度问题也是一大影响因素。
1.3露筋问题
露筋问题主要是指混凝土结构物内部的受力筋未完全被混凝土所覆盖,出现外露问题,严重影响了钢筋与混凝土的握裹,无法将应力进行充分传递。极易导致钢筋因缺乏必要的混凝土保护而出现锈蚀问题,影响整个结构物的安全性及使用寿命。露筋问题产生的主要原因为:在进行混凝土浇筑施工时,振捣工具与钢筋相接触发生碰撞,整个钢筋垫受到影响而发生移位,在拆模后便出现露筋问题。结构物的断面太小,而钢筋的密集性又较高,一些石子卡于钢筋之上,混凝土泥浆无法充分覆盖整个钢筋周边,暴露区域便产生露筋问题。材料配合比失常致使混凝土内部发生离析显效,模板出现严重漏浆问题。
1.4表面裂纹
在结构物混凝土的表面出现一些成网状,较为浅细的裂缝,其花纹表现为六角形,具体深度范围为5~10mm。裂纹外观质量问题产生的主要原因为:在对混凝土实施灌注操作时,受到温度、阳光照射、湿度等气候环境变化因素的影响。或是整个公路工程地基出现不均匀的沉降问题,拆模操作实施时间过早等也会知识混凝土出现裂纹问题。这些外观质量问题都是在公路工程施工中较为常见的问题,对其采取必要科学的控制措施,具有极为重要的意义。
2公路工程结构物混凝土外观质量控制措施
2.1气泡问题的控制措施
在选取相关拌合设备时应尽可能地选取具有自动计量装置的设备。在拌合操作前,对设备的计量装置进行实验认证,确保其计量准确性。对外加剂进行计量时,应选取小台秤,并提前进行称重操作。对混凝土的坍落度进行严格控制。如在进行拌制施工时,需依照砂料的含水量对水灰比进行调整,从而有效减少气泡产生。在拌制及浇筑施工地点进行坍落度的检查,及时运用拌合物,避免延长其停放时间,从容有效减少坍落度损失。
2.2模板问题的控制措施
在进行模板选择时,选取一些富有丰富经验及较强实力的厂家进行加工操作。在模板进场前对其进行严格检验,对钢板的尺寸、焊缝平整度拼缝精度等进行严格控制。依照结构物的尺寸大小进行模板设计,运用钢模替代木模。在装模操作前,可运用小砂轮对其进行除锈处理,擦净后涂抹机油。整个模板内部应保证不存在杂物或是污点。确保模板的牢固性,对其接缝的拼装严密性进行严格检查,接缝应保持在2mm上下,运用双面型泡膜胶完全密封操作,避免出现漏浆问题。新模板还需对其进行打磨处理。对于模板材料的运用应尽遵循随立随用原则,避免其产生不必要的砂线、锈斑。
2.3露筋问题的控制措施
对垫块进行稳固处理,在水泥砂浆垫上放入铁丝,将其绑于钢筋之上,从而有效避免位移现象出现。在振捣操作中避免振捣棒与钢筋发生碰撞。对于石子的选择,应确保其粒径大小应保持在整个结构物截面最小尺寸的四分之一以内及钢筋净距的四分之三以内。对于一些存在严重露筋问题的部位,需指定专业方案对其进行修补。通常所采取的修补方法为:将露筋上的混凝土残留物及锈迹清除,运用水对其实行冲润操作,之后再运用1∶2或是1∶2.5的泥浆进行平抹操作,对其进行养护。
2.4裂纹问题的控制措施
针对裂纹问题采取的措施主要为加强混凝土的养护。对于已浇灌完的混凝土进行早期完善的养护,避免出现干缩问题。在冬季进行施工时,加强养护操作避免冷缩型裂缝的产生。进一步加强施工管理工作力度,结合实际施工条件采取科学的施工措施。针对一些细小裂缝,可在冲洗后,采用泥浆进行平抹修补;如为大面积裂缝,可在将其薄弱区域凿除之后,在进行冲洗及泥浆平抹操作。
2.5施工材料及相关配合比的质量控制
在进行混凝土施工操作时,需对其原材料的质量及骨料的粗细量进行科学严格的控制。在进行原材料的选取时,需选取一些完全符合科学配合比标准的材料,对不符合相关标准的材料进行筛除处理。依规范进行混凝土的材料配合比实验,尽可能地选取出完全符合规范的合理级配,从而为骨料的粗细度合理配比提供保障。在进行水灰比的明确时,应将多次实验的结果作为基础依据。在进行了反复对比研究之后,选取其中最为优质的比例方案。如果在一些气候环境恶劣条件下进行工程的施工作业,还需对气候因素给予混凝土外观质量的影响进行全面充分的考量,尽可能地将不利影响降到最低。较为科学的配合比选择是:采用施工现场实际运用的材料进行混凝土的配合比设计。而所选取的混凝土材料,在保证其质量的前提下,尽可能地选取一些色泽度较为同等的砂、石、水泥。
FRP(fiberreinforcedplastics)复合材料主要有碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFRP)及玻璃纤维(GFRP)等,其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同优点是:轻质高强、高弹模、抗疲劳、耐腐蚀耐久性能好、热膨胀系数低等。另外,FRP复合材料可以节省材料、自由裁剪、施工方便且速度快,虽然其前期投资较大,但维护成本低,经济效益明显。因此,FRP(片材)复合材料在土木结构加固工程中应用潜力巨大。
1、FRP复合材料的基本特性
随着增强纤维材料的发展,碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维已经成为当前结构工程中加固补强的重要材料。一些典型的FRP(片材)复合材料的基本力学性能见下表。
FRP复合材料的性能各异,在拉伸强度及拉伸模量方面,玻璃纤维和芳纶纤维一般比碳纤维低1/3左右;在断裂延伸率方面,芳纶纤维一般是碳纤维的2倍左右,玻璃纤维一般比碳纤维高70%左右;在韧性、抗冲击性能方面,芳纶纤维和玻璃纤维要比碳纤维好得多;在抗碱腐蚀方面,芳纶纤维和玻璃纤维则不如碳纤维好。关于其它方面的性能差异,这里不再赘述。
2、FRP复合材料在结构加固工程中应用领域
2.1民用建筑、桥梁及工业厂房
FRP复合材料因其优异的力学性能,在民用建筑及工业厂房的加固中应用很多,主要有:①梁加固。加固的作用包括抗弯和抗剪。在进行抗弯加固时,FRP复合材料的纤维方向与梁的轴向一致,一般贴在梁的受拉侧,已提高梁的承载能力。据有关试验得出,只要该梁不是超筋梁,贴一层AK-60可以提高承载力30%左右,贴两层可以提高40%左右;在进行抗剪加固时,FRP复合材料的纤维方向与梁的轴向垂直;②板加固。一般对于板的加固净空要求比较高,而且加固后不影响其外观,所以用厚度很薄且柔软的FRP复合材料进行加固是一种理想的选择;③柱加固。芳纶纤维布、玻璃纤维布是比较理想的柱加固材料。因为它们的弹模小,相对于碳纤维(弹模235Gpa),其延性较好;并且,在进行棱角打磨时一般只需要10mm左右,一般不需打磨,而碳纤维则需要30mm左右,若采用芳纶纤维就可以节约很多工时。
2.2地铁、隧道
因地铁和隧道是一种在地下工作的结构,所以它的受力与地面结构是不一样的。在洞顶和洞侧,它都有土压力的作用,而且也有净空的要求,所以进行裂缝修补时,传统的加固方法不可行,而用芳纶纤维布(不导电)进行加固维修就可以满足它的各方面要求,因为在地铁或隧道的拱顶或侧壁的裂缝一般是多向且不规则的,这就要求修复材料必须具有良好的抗剪性能,而且还是一种不导电的材料,所以芳纶布在隧道地铁工程中是一种最佳的选择。
2.3烟囱、水塔
由于烟囱水塔这样向高空发展的结构,加固维修特别困难,传统加固方法(如扩大截面法、粘钢法)基本上很难解决这样的问题,而采用轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的复合材料(尤其是芳纶纤维)进行加固,就是一种很好的方法。
3、几种加固方法的比较
3.1扩大截面法
这种加固方法是通过增大受力面积来提高结构的承载力,一般用在一些较小且对净空没要求不高的结构中。这种方法虽然具有成本较低的优点,但是增加了原结构的自重,同时减小了净空,工期长,有很大的局限性。目前,在较大的工程中很少用。
3.2粘钢法
在用钢板加固时,一般将钢板贴在被加固的结构受力部位的外边缘,同时封闭粘贴部位的裂缝和缺陷,约束混凝土的变形。粘钢法加固的特点:①既可提高结构强度,又可提高刚度;②适应结构(钢结构)又粘又铆,适应节点加固;③延伸率大,适应冲击、振动结构加固;④钢板表面处理要求严格,粘结面易生锈;⑤厚钢板端点处应力集中,混凝土易剥离。
由上述可知,采用这种方法加固必须注意几点:①对钢板的尺寸要求很严格。抗弯时宜薄点,以保证它和原结构的变形协调;抗剪时不仅宜厚点,而且在锚固时应使端部钢板延伸到应力较小区,防止应力集中造成对结构承载力的损害;②贴完后,必须对钢板边缘裂缝进行处理;③还要对钢板进行防腐处理,这也是一项长期的任务。所以其造价很高,而且它的使用范围还有一定的局限性,一般只用在刚度要求很严格的地方。
3.3FRP复合材料法
FRP复合材料法加固的特点:①高强度、高弹模,厚度薄、重量轻;②材料可任意长度,任意交叉,适应任意曲面和任意形状结构;③耐腐蚀,抗疲劳性能好;④施工简便,与混凝土结合密实;⑤材料防潮要求严格,且不宜加固节点区域。
在目前的FRP材料加固市场中,碳纤维占的比例最多。碳纤维是一种导电、易发生脆性破坏的材料,可以承受很大的静载,但在绝缘性要求很高的电气化铁路、地铁及隧道工程中,不宜采用;同为高强高弹模的芳纶纤维不存在这样的局限,能经常承受冲击载荷,芳纶纤维的极限破坏形式为塑性破坏,而且还是它的优势所在,其在抗剪方面也有很大的优势,在加固墩子时一般也是利用它优异的抗剪性能,但芳纶纤维在裁剪时须用专门的陶瓷剪刀。
4、FRP复合材料的选择
4.1环境影响
在高碱度和湿度的地区,宜选择碳纤维复合材料,不宜选择玻璃纤维复合材料;在温度变化较大的地区,玻璃纤维的热膨胀系数与混凝土相似,宜选择玻璃纤维;玻璃纤维和芳纶纤维是良好的绝缘体,而碳纤维是可导电体,为避免钢筋的潜在电流腐蚀,碳纤维材料不应与钢筋直接接触。
4.2荷载影响
对于经常承受冲击或振动荷载的结构,应优先选择芳纶纤维和玻璃纤维复合材料,它们的韧性、抗冲击性能都比碳纤维复合材料好;对于要求耐蠕变和疲劳的结构,应优先选择碳纤维复合材料,碳纤维材料耐蠕变和疲劳的能力比芳纶纤维和玻璃纤维材料好得多。
4.3保护层影响
2建筑工程框支结构施工工艺
建筑工程框支结构施工工艺流程主要分为:一是轴线放样定位。也就是讲框支结构的轴网控制线确定下来,一般采取经纬仪进行定位,然后再按照主轴线测量轴线间距;二是捆扎钢筋和搭设模架。在进行钢筋捆扎时要对钢筋的捆扎位置进行校正,然后再采取焊接、搭接等方式延长钢筋长度之后在进行绑扎;三是柱混凝土浇筑,此环节可以选择混凝土泵送方式进行浇筑,提高操作的自动化,实现混凝土的一体化程度,避免因为浇筑时间的不同而出现的裂缝等问题;四是对浇筑混凝土进行养护以及填充墙砌筑。施工人员要对浇筑的混凝土进行及时的养护,并且要砌筑填充墙。
3建筑框支结构工程技术面临的问题
3.1混凝土质量问题因为混凝土问题而影响建筑工程框支结构技术发展的现象非常普遍,也是当前建筑工程施工需要给予解决的问题之一,分析混凝土质量问题主要体现在:一是混凝土强度等级不同的问题,为了满足建筑工程质量需要,柱子需要选用强度等级较高的混凝土,而后对于以受弯为主的楼层梁板则不宜使用强度过高的混凝土,因此高强度的混凝土对构件承受的非负载应力会产生不利的影响,但是在具体的施工过程中建筑工程框支结构使用高强度的混凝土现象还普遍存在;二是混凝土的浇筑质量问题,在框支结构混凝土浇筑过程中,施工人员为了个人私利他们会在混凝土中参杂各种添加剂,影响了混凝土的质量,而且混凝土浇筑施工一般采取的施工工具是泵送方式,施工企业为了节省时间与成本他们会同时对竖向构件和水平构件进行集中浇筑,这样的施工工艺会影响框支结构的质量;三是框支结构混凝土的配合比比例不科学。在框支结构施工技术施工中,混凝土的配合比比例有着严格的要求,即砂率每下降2个百分点,混凝土的强度就会下降15个百分点,同样水和石灰的比重每增加10个百分点,混凝土的强度就会降低5个百分点;四是对于混凝土浇筑后的养护工作落实不到位。在施工现场对混凝土浇筑后的养护工作不严格按照养护流程与要求进行,导致混凝土出现各种病害,影响建筑工程框支结构的质量。
3.2保护层问题我国有关规章规定:受力钢筋保护层厚度梁柱允许偏差5mm。但是在具体的施工中,只重视对主筋的保护,而忽视了对箍筋的保护,我们都知道混凝土的保护层作用不仅体现在对框支结构的支撑加固作用,而且还对钢筋的防锈起到关键的保护作用,因此在具体的施工过程中为了保护受力钢筋,将受力钢筋的保护层设定为d+30mm,虽然这种方法有效地保护了钢筋,但是其削弱了框支梁载面所承受的压力,导致其受力过重,引起混凝土开裂。
3.3钢筋框支结构技术问题钢筋框支结构技术是影响建筑工程质量的重要因素,其问题主要体现在梁柱节点箍筋施工的复杂性,比如节点构造复杂、钢筋分布密集导致施工难度比较大,再比如使用的钢筋规格与设计的要求不符、钢筋接头焊接存在弯折等问题,这些问题的存在都会影响框支结构的质量,如果再对这些问题进行修正,就会对框支结构的整体形状造成改变。
4建筑框支结构工程技术问题的对策研究
4.1严格控制框支结构混凝土质量首先要基于不同的框支结构构件采取不同强度的混凝土,在施工前要对框支结构施工进行整体规划,设定不同构件结构所需要混凝土的工程量等,从而在具体的施工中直接应用,避免出现错误;其次加强对混凝土源头的控制,在进入施工现场前对混凝土的质量进行严格检查,避免一些质量不达标的混凝土进入施工现场,同时也要严格控制混凝土的配合比比例,并且根据不同的施工要求进行混凝土配比实验,以确保混凝土的配合比比例符合施工要求,对于配合比结果不符合施工要求的要及时进行调整,坚决杜绝使用参杂添加剂的混凝土;最后做好混凝土的养护工作。在混凝土进行浇筑完成后,要保证框架柱浇捣10小时后在进行侧模的拆除,并且要用塑料膜对混凝土进行包裹,并进行保湿养护,当然模板的拆除要避免过早,以此避免出现裂缝等病害。
4.2科学设计保护层众所周知,建筑工程框支结构技术在施工过程中会优先保护主筋,这样的施工技术对于建筑工程的整体抗震效果而言非常不利,因此为了可以保护主筋,有效提高建筑工程的整体抗震性,在设计保护层框支结构时可以框支梁端保护层超过30mm的区域内增加一道直径间距和框架梁箍筋相等的双支箍,并且铺设4根12mm的纵向钢筋加以固定。
4.3钢筋工程施工技术钢筋工程施工技术是框支结构施工技术中的重要一部分,首先要做好钢筋施工准备工作,将绑扎好的钢筋放置到安全、干燥的地方,对于已经放置在安好的梁上的,则要做好固定工作,避免发生安全事故;其次要进行钢筋焊接技术,对每批次的钢筋都要进行严格检查,在具体的焊接时,一定要做好焊接头的处理,避免焊接头出现弯曲、打结的现象;最后在进行钢筋的放样过程中,应该预留一定的空间,避免焊接处由于受到收缩作用而出现拱起作用,具体的余量为:当受弯构件超过24m时,放样余量应该为5mm,如果受弯构建总长超过24m时,放样余量就应该为8mm。
4.4填充墙砌筑建筑框支结构技术要求施工人员按照预定的施工方案对建筑物的填充墙进行砌筑,砌筑的技术要求为:①砂浆灰缝控制在8-12mm之间,并且砂浆的饱满度不能低于80%;②填充墙、剪力墙以及框架柱之间的交汇处根据间距在上面打入膨胀螺母,并且将拉结钢筋焊接并埋设到砌体的灰缝中;③当砌到距离框架梁200mm处,要等待1周时间,随后在采取粘土砖将其斜砌在梁底。
二、我院市政工程技术专业(给排水方向)人才培养模式课程结构的探讨
1.我院市政工程技术专业(给排水方向)课程结构存在的问题
首先,校内教师的实践操作能力不强,并且现有的课程体系中工学结合不紧密,同时,校内教师对行业新技术、新工艺、新知识、新材料把握有一定难度,造成校内外教师、工和学相对脱离,且理论和实训的融合度不高。其次,传统的课程结构中,主要有2.5年的理论学习时间。“2.5”年中,又有1年的公共基础课学习,专业理论课的学习时间只有1.5年,时间比较短,而毕业前的顶岗实习主要为学生独立实习,可能得不到有效的实习指导,结果导致培养出来的学生理论知识赶不上本科生,在动手能力与适应性方面与中职生相比也毫无优势可言。鉴于目前“2.5+0.5”人才培养模式中课程结构存在的问题,需要创新适合于市政工程技术专业(给排水方向)的课程结构,同时,探索校企合作、理论与实践结合、以竞赛促进学习的培养方式,优化学生的课程结构,让学生在学习理论知识的同时,又能完成相应的实训部分,从而构建基于行业岗位能力要求的课程体系,培养适应于社会主义现代化建设的“高端技能型专门人才”,让我校学生能真正实现“零距离”就业。
2.我院市政工程技术专业(给排水方向)“2.5+0.5”人才培养模式课程结构的创新
(1)设计思路的创新
结合我国国内高职院校的课程体系思路,我校本着以“校企合作、工学结合为基础,学生为主体,工作任务为载体”的培养目标,按照“学习与实训相结合、理论与技能相结合、校内与校外相结合”的教学理念,改革课程结构与教学内容,同时,完善具有高职市政工程技术专业(给排水方向)特色的校内外实验实训基地,在课程设置上重视专业知识学习和综合职业技能培养,争取能在一门专业课程上,做到“基本理论讲授、专业技能训练、工程实践锻炼”三阶段模式。
(2)课程体系的设计
以专业技术能力培养和全面素质培养为主线。基础理论教学应该以应用为目的,以必需够用为尺度。专业课教学贯彻应用性、针对性的原则,对传统的基础课、专业基础课、专业课“三段式”课程体系进行改革。让学生在学习中能够融会贯通,在学习专业基础课的同时学习专业课,明白为什么学习这门专业基础课,同时,在学习专业课的同时学会运用专业基础课的知识来解决问题。在专业课和专业基础课的授课分布上要分为理论课和实践课。教师保证既教学生理论知识,又让学生把所学的理论知识用于解决工程项目问题。比如,我校选择了现代给排水设计这门课程,里面包括了专业基础课部分—水资源的利用与处理方法;在讲授完理论部分后,我们应该带学生参观污水处理厂与自来水厂,让学生了解现实中水的治理方法及工艺流程。同时,我们在学习专业课部分———给水管道系统和排水管道系统的规划设计时,就应该在讲授理论课程后,安排学生做相关的工程实例,自己动手完成一个市政管道系统的规划设计。如果要达到这样的效果就要求我们在设置课程结构时,要合理安排课程的学习顺序,先学习相关的基础课程和专业基础课程,如工程制图、水力学、水处理工程技术、CAD绘图软件、水泵与泵站等都应该安排在现代给排水设计之前完成,这样才能让学生把以前的知识都能学以致用。
(1)合法性。建筑工程质量检测以国家颁布的《建设工程质量检测管理办法》为法律依据。
(2)公正性。根据国家的法律法规,第三方检验机构受相关利益者的委托检测建筑工程的质量,以检测结果出具检测报告。因而,建筑工程质量的检测更公正、公平。
(3)真实性。检测机构出具的检测报告是检测和评估建筑工程的真实情况的结果,因而,具有真实有效性。
(4)准确性。检测机构的检测以质量工程质量的法律规定为原则,保留了所有检测的凭据和资料,因而具有准确性。
(5)独特性。建筑工程检测报告的质量评估是针对某一工程而进行的,因而建筑工程具有差异,某一建筑工程的质量评估只能代表本工程的质量检测结果,所以决定了其特有的性质。
2建筑工程主体结构质量检测的内容与技术措施
2.1外观检测
因为从直观上看,工程的整体可以从建筑工程的外观上展现出来,所以,检测建筑工程主体结构质量的过程中,检测建筑的外观其中的重点。就工程建筑的混凝土结构构造方面来看,墙面坑洞及裂纹、结构疏松和混凝粗糙等都是外观检测必须包含的内容,从这些方面上来看,建筑工程存在的问题和缺陷都可以在质量问题上体现出来。其中,外观的检测内容包含两个方面,一方面是尺寸度量,它是分析建筑结构中多方面的基础构建,其中包含有工程结构中支柱的直径何高度、墙体侧面深入地下的深度等内容。正是因为这些准确的数据测量,因而建筑工程的外观施工能够严谨的完成得到充分的保证。另一方面,估算测量的内容包含有测量和评估精确度不明的部件,不但确保控制好工程部件尺寸的变动幅度,而且保证了按照要求设计建筑工程的外观。
2.2钢筋保护层的检测
工程建筑结构的抗压强度,也就是检测钢筋的保护层,直接决定了其稳定和巩固的程度,所以,充分保证工程的质量重视工程结构抗压强度的重要性。测量工程建筑抗压强度包括两方面,其一是静态抗压检测和动态抗压检测,它主要是利用雷达或超声波等工具检测工程结构的脉冲压,推导结构部件的抗压强度是通过发射脉冲与反射脉冲的脉冲波形质检异同的比较完成的。其二是共振测定和钻芯取样法,前者判断结构强度利用的原理是将适当的振幅和频率的检测波发射到工程构件上,进而得出工程构件以及检测波产生多大的共振,最终得出判断。另一种钻芯取样则就是在钻孔检测直接检测主体结构的强度得出结论。但是因为多样化的建筑结构,同时缺乏完善的检测手段,因而必须具体问题具体分析,选择和建筑工程本身相适应的检测方法,这样才能得出精准的工程结构抗压检测结果。
2.3混凝土的检测
(1)回弹法。回弹法测量工程结构质量采用的重锤必须具有一定动量,进而通过对结构表面锤击的方式得出测量结果。工程结构不一定能够吸收所有捶打的动能,这主要是因为受到外界振动的影响,工程结构的混凝土只能吸收一部分,而重锤受到其余部分的动能产生反弹,从工程结构的表面离开。接着在比较重锤的反弹高度并与重锤的初动量的测量结果之后得出工程结构中的混凝土结构。例如,通常使用随机抽样的方式进行回弹法的抽样检测,抽样检测必须选择不少于十个检测构件进行。如果是检测区域比较大的结构,可以将检测区域划分为若干小区域独立存在。如果样本容量尺寸为4.5×0.3m以下的构件,那么可以将其划分为五个部分。测量的过程中,测区位置的安排要以构件的类型为依据,同时,要保持在2m的范围内布置测区。回弹仪在使用的过程中要保持水平,测区的面积最好不能超过0.04㎡的范围,还要根据不同的区域记录相应的数据,避免出错。
(2)超声回弹法。超声回弹法的方法原理是以回弹法为前提,充分运用超声的优点,以超声仪器为测量工具,将待测物体中的传播时间以及超声在物体内的传播速度都计算出来,而且在上述基础上测量主体结构表面的硬度参数,最终主体结构的硬度参数就在结合回弹值和声速两者的计算中得出。与其他检测方法相比,超声回弹法的特点较为突出,尤其是利用超声回弹法,主体结构中的水分不会再成为测量的影响因素。因为现在建筑结构基本上都是利用混凝土建造主体结构,所以仅仅使用其中一种方法,主体结构中的水分很容易影响测量。因而必须结合超声检测法和回弹法,保证检测结果尽可能不受主体结构中水分的影响,进而保证主体结构检测的准确性。
3建筑工程主体结构质量检测的管理措施
3.1建立监督小组
保证测量的精确度不但需要正确的检测方法,同时也不能忽视对测量的监督,做好监督工作可以充分保证有效的建筑工程主体结构质量检测。和具体的质量验收相比,监督工作具有随机性的特点,但是建筑工程主体结构质量检测也可以有效的借鉴监督的结果。监督工作的作用是可以保证建筑工程主体结构的质量在检测工作中反映的有效性,同时,监督部门要对随机抽查实体建筑检测结果给予高度重视,与此同时,也不能忽视检测时产生的损害建筑主体的行为,并及时遏制这种检测手段的实施。和具体的质量检测有所不同,监督检测工作的目的在于通过简单有效的检测手段,对实体质量验收的具体效果充分掌握。通常由监督部门专门建立监督小组,利用精密的仪器,采用正确的测量手段,有效处理和检测现场产生的问题。
3.2根据结构的形式抽样
建筑工程主体结构的质量检测手段必须科学、合理,以此确保产生准确有效的检测结果。一般而言,利用抽查的方式检测数量较大的待检对象,其中抽样数量的合理性直接关系到抽样检测结果的准确性。因而必须以待检结构的形式分类抽样,进而准确测量主体结构质量。例如,抽样检测不同的结构类型,包括检测钢结构、钢筋混凝土结构,还要测量砌体结构,其中,每一个结构中又有具体的结构类型划分,分别进行抽样检测。
3.3根据检测物的容量选择合适的样本容量
选择合适的样本容量也是建筑工程主体结构质量检测时必须重视的。按照相关的规定,监督部门必须检验检测方式的合理性,一般而言,只要要选取待检物总体容量的10%以上的容量作为样本容量,若不满总体容量的10%,则可信度不高。
计算机是知识、经验和思维的替代品。纵观当今世界,这种非常令人不安的观点正在结构工程师中逐渐蔓延。人们似乎越来越愿意相信计算机使他们能对工程作出正确的判断,而根本不去想一想,如果没有计算机同样的工作需要哪些必要的知识和经验。按百分比计迅速增加的工程师相信,解决工程问题的专业知识就是怎样使用计算机以及计算机本身的专业知识。在结构工程界,把使用计算机的能力当成能胜任工作的证明,作为一种观点正在象传染病一样到处蔓延。大量的结构工程师确实相信,他们仅仅简单地依靠计算机就可以“解决”工程问题了,而没有认识到高质量的工程只能是渊博的工程理论知识,大量的经验,以及艰辛的脑力劳动相结合的产物。
问题是过分强调自动化技术是以削弱实际知识为代价的,过分强调也演变成了不学习实际知识的借口。从教育和实践两方面来看,如此过分强调计算机带给朝气蓬勃的年轻工程师们一个错误的信息,工程学习和工程实践就是轻松地使用菜单和用计算机生成五颜六色的图画。
在工程设计环境中利用信息自动化技术有很严重的负面影响,信息自动化技术象一样能轻易地诱使大脑相信其虚幻的安全性,知识性和能力。在这些自动化技术实现其真正的价值以前,设计工程师必须不依赖计算机,而用学识和经验去解决工程问题。非常不幸,我们变得如此依赖于计算机,以至于正在迅速丧失不依赖计算机进行计算工作的技能。
与那些只有依赖计算机才能“解决”工程问题的人讨论问题时,一个称职的结构工程师什么样的痛苦和挫折没有经历过?这些人(不要把他们跟真正的工程师混为一谈)已不再有能力,或者从来没学过,不依赖计算机解决工程问题。从根上他们不懂得,计算机不可能记录有关模型、分析和设计的一些技巧。可以这样认为,除了具有快捷的计算速度以外,计算机程序只是一些离散的知识。这些人没有认识到,知识已经远远超过了有限的计算机指令所能编程的界限。真正的工程知识是经验,直觉,灵感,领悟力,创造力,想象力和“认知”的巨大综合体,它超越了任何计算机程序和程序员对结构工程的“理解”。恰恰相反,这些人认定世界是一个巨大的有限元模型,而计算机能够并且也应该自动地建立模型,进行分析,完成设计,打印出最终结果。“工程师”能做的,仅仅是区分规格和需求,给顾客开发票,牟取利润,并且迅速找到新项目。
今后,只有越来越少的工程师能独立地(即不依赖计算机)找出结构工程问题的正确解答,这种对计算机的依赖性将会带来巨大的麻烦。随着对计算机的依赖程度的不断上升,谁来解决工程问题?是那些没有或只有很少的结构工程知识和实践经验的程序员,或是有其他专业学位而不是结构工程学位的程序员来做?计算机现在不是,也永远不会是解决工程问题的源泉。只有合格的工程师才能正确地解决工程问题。如果结构工程师们继续制造这样的氛围,在结构工程实践中,首先靠计算机,而不是靠有学识、有创新和有丰富经验的结构工程师本身,就能够解决大部分结构工程问题,那他们就是自欺欺人,也欺骗了他们的服务对象。
在今天的现实生活中,结构工程师发现了一种既非常有效又方便的方式去为顾客服务,它不需要花费大量的时间和金钱去学习或理解结构工程模型,分析和设计的细节。这种“方式”就是计算机。工程师们现在的行为方式符合宇宙的自然规律,即用最低的能量消耗前进。现在,越来越多的结构工程师对自动化技术的响应就是让计算机工作,同时让自己不再去操心细节了。
现代工程具有复杂的理论细节,依靠计算机的工程不能,根本不能,让人们学习有意义的经验。现代计算机的运算范围和速度,太容易使工程设计变得毫无生气。试问,有谁能抵抗激动和解脱的感觉--不用太多的艰辛就能求解成千上万个方程?又有谁能抵抗诱惑--让自动化技术来“解决”工程问题?真正的结构工程师,不用计算机就能工作的真正的结构工程师就有这样的抵抗力。这些真正的工程师看到了实质,计算机是一种很不完善的工具,它只能处理大量信息。以光速执行的指令大多是没有经验的程序员编制的,它们的可靠性值得怀疑。在计算中,对于受动力载荷的作用的曲壳结构发生非弹性变形时,不正确的结果一样可以在屏幕显示,它们的等应力图看上去也是如此这般地赏心悦目。这样下去,只要手上有计算机软件的使用说明,就可以用计算机得到结果了。或者更方便,只需在图形用户界面上选择合适的菜单,就得到结果了。事实上,如果“靠相互交谈来探讨怎样分析梁和柱,靠双手找出闭合解”会更有利。
也许有人推测,以上论调只能证明本文作者从根本上是反计算机的,或是他没有认识到现代信息技术美好的未来,或是他对那些在神奇的创意中利用这种技术的专家不屑一顾。然而,并不仅仅是这样。即使认识到计算机的潜力,工程师也对危险熟视无睹。结构工程是对安全性吹毛求疵的职业。在世界各地,结构的特性是由结构工程设计的质量决定的。由于在实践中采用了计算机,越来越多的结构工程师正在制造以幻想为基础的信仰系统,正在发展难以置信的危险期望。随着这一趋势的延续,工程失效的威胁也会按指数形式增长。
一个简单的例子就是世界各地越来越多的工程公司都期盼CAE/CAD软件能将结构工程设计程序完全自动化。现在,越来越多的结构工程师希望在解决问题时他们只需区分类型和条件,让CAE/CAD程序自动生成必要的数学模型,完成复杂而重复的分析和设计过程。最后,由制图工具完成生产图和施工图。在这种环境中,结构工程师唯一的责任就是明确所要解决的问题,然后评价最后的设计“结果”。这种设计方式注定是灾难性的。数不清的软件开发商为满足市场的需求,不断开发和推销注明有各种用途的软件。于是,不那么称职的工程师就相信了广告,即使用这种软件只要投入很少的人力就能进行工程设计。
软件开发商经常被要求改进结构分析和设计软件,以使用户在不详细了解技术细节的情况下就能够使用软件。例如,这些用户要求开发商创造出不用阅读使用手册的环境。因为高质量的结构工程软件的用户参考手册包括软件的技术细节,限制范围,以及计算所依据的理论和假设,结构工程师们不愿意使用这样的高质量软件。现实是,结构工程师们不希望了解细节。他们所希望又愿意购买的是窗口界面,这种界面能让他们处理信息见得到,然后把结果以彩色图表形式展示。最好还有动画功能,还可以用漂亮的图表打印数值结果。而对于是否能可靠地检测重特征值;或在用反映谱进行分析时是否用了足够的模态;或非线性索单元的理论是否正确;或分析结果对网格的形状和单元的选择是否敏感;或部分固定端刚度是否确切等等方面,如今使用计算机的工程师表示,他们几乎不考虑这些细节问题。
不少人认为他们没有时间,或没人付给他们费用去关心细节。越来越多的结构工程师都持这样的看法。但是,他们确实相信,依靠计算机他们的设计能够达到顾客要求。为什么不能如此简单地相信???/!!!输入数据,然后击键,就有了结果。而且,这种方式几乎没有人力消耗。
当然,计算机技术本身并不坏。然而,问题的核心是结构工程计算中计算机的使用方法,以及滥用计算机不断增加的趋势。在道义上资深工程师和工程管理人员有义务特别强调工程实践中知识,专业技能,以及经验的重要性,而非计算机使用者的“性别”。在结构工程实践中,仅仅关心“怎样”使用计算机是不够的,了解“为什么”这样设计才是关键。专业的结构工程师必须重视手工求解的原理,基本原则和提炼模型,识别计算结果中的错误,解决问题的其他方法,判断计算结果的有效性。对计算机要又敬又畏,对计算结果应持批评态度,尊重工程实践经验,通过工程实践(而不是通过“世界的有限元分析”,或是靠过分的简化去满足那些不合格的结构工程软件的限制条件)学习工程。强调从那些资深的或更有经验的结构工程师(即数量急剧减少,但仍记得不依赖计算机,怎样解决工程问题的真正的工程师)那里学习结构工程。只有通过训练专业工程师,而不是通过训练技术员(即计算机操作员),结构工程界将完全能担负起服务大众的责任和义务。
到底该不该如此担心计算机的不当使用?担心那种怠惰?担心工程界默许这种危险作法?虽然计算机对人类有很大的应用价值,但如果结构工程师们继续象现在这样破坏性地使用计算机,这些价值就得不到实现。
有什么办法才能使结构工程界改变过分依赖计算机的情况?不再滥用计算机?这些都没有简单的答案。然而,所有称职的,经验丰富的资深工程师都有机会用危险的计算机这一思想去影响年轻人。一个真正的工程师所需要的是不依赖计算机解决工程问题的能力。经常怀疑计算机;在没有深入的论证以前决不使用计算机的结果。在被工程师证实正确之前,假设计算机提供的结果是错误的。在用计算机求解之前,必须先“知道”答案。不崇拜计算机,而崇尚知识和经验;提倡全面了解工程理论和实践中的所有细节;避免为那样的雇主工作,他们仅有的学习机会是通过计算机学,而不是通过有实践经验的真正工程师的深入训练。
计算机不可能,而且永远不可能,成为人类知识,经验,远见,灵感,创造力,独立思维,以及自古以来的勤奋的替代品。虽然在结构工程实践中计算机是非常有价值的工具,但是结构工程师必须认识到对工程学的细节(即原理,方法,标准,道德等等)的全面了解,比懂得怎样在计算机屏幕上游逛不知道要重要多少。警告实际工程师,如果没有计算机他们的结构工程知识不足以胜任工作,他们也没有资格使用计算机(如若不然,那不仅是不道德,而是犯罪)。
所有称职的,经验丰富的工程师都意识到,好的计算机程序造就不出称职的结构工程师,而只有称职的工程师才能使用好的计算机程序。可悲的是,虽然上面的结论似乎是不言而喻的,但它并不是今天计算机应用的现实。因此需要让危险曝光,并实现和完善保护措施。
一、岩体结构的工程地质模型
岩体形成和发展过程伴随着各种内、外地质营力的作用,从成岩的类型分为沉积岩、岩浆岩和变质岩三大类,由于结构面的存在使岩体具有一定的结构,其结构特性控制着岩体的性质和变形破坏,因此,我们在解决岩体工程问题时,应该从岩体的地质模型出发。孙广忠教授建立了8个基本的地质模型:水平层状岩体、缓倾层状岩体、陡倾层状岩体、陡立层状岩体、弯曲层状岩体、完整块状岩体、碎裂块状岩体和岩溶化块状岩体。孙玉科在研究了大量露天矿和水电工程的边坡滑坡资料后,归纳出5种具典型意义的工程地质模型,即:金川模型、葛洲坝模型、盐池河模型、白灰厂模型和塘岩光模型。目前,这些模型广泛的应用在岩体工程中,从地质模型建立的角度考虑,首先应该调查岩体中结构面的发育特征以及与结构体的组合特征,查明岩体的赋存地质条件,如地下水、地应力条件等,再与上述的基本类型进行对比,选择适合岩体工程的模型。为了便于后面的力学分析,在建立地质模型时从各基本模型的共性特征入手,并根据工程自身的特点充分体现其个性的一面。因此,建立岩体的工程地质模型是一项系统的工作。
二、岩体结构力学模型
孙广忠提出了四种岩体介质,并根据介质的特性提出了四种岩体力学的分析方法,表1中是四种力学介质岩体特性。
表1各种力学介质岩体特征
连续介质
碎裂介质
板裂介质
块裂介质
岩体结构
1、完整结构
2、高地应力下散体结构及碎裂结构
低地应力下条件下碎裂结构及粗碎屑散体结构
板裂结构
部分碎裂结构
块裂结构
岩体变形机制
结构体压缩及剪切为主
结构体(压缩、剪切),结构面(闭合、滑移)
结构体横向弯曲及纵向缩短
沿结构面滑移
岩体破坏机制
材料的张及剪破坏
沿结构面滑动、结构体滚动、结构体张及剪破坏
弯折、溃屈、倾倒滑动
沿软弱结构面滑动
岩体力学性质控制因素
材料及环境因素
材料、结构效应及环境因素
软弱结构面及结构体
软弱结构面
岩体力学性质研究方法
典型地质单元三轴力学试验及尺寸效应
岩块三轴试验、尺寸和围压效应
软弱结构面力学性质及弹性模量
软弱结构面力学性质及爬坡角理论
岩体力学分析方法
连续介质岩体力学
碎裂介质岩体力学
板裂介质岩体力学
块裂介质岩体力学
对于基岩斜坡失稳破坏主要表现为软弱岩体的蠕滑变形、岩体沿着已存在的地质结构面发生剪切破坏、岩石块体的塌落和板状结构岩体的倾倒、上部岩体沿岩层层面或较软弱夹层发生剪切滑动等。李铁峰将基岩斜坡的变形模式进行了总结,根据结构面倾向、倾角与斜坡产状之间的关系,以及软弱夹层的发育情况,将斜坡的变形模式分为倾倒变形、溃屈型破坏、顺层滑动破坏、裂隙滑动、侵入接触滑动、拉裂-脱离母岩-崩塌、压缩流变。
三、岩体结构力学的分析方法
早期多数把岩体看成连续的介质,用一些连续的线性分析方法来解决岩体力学问题。根据岩体不连续、方向异性等特点,目前出现了许多的不连续分析方法,如:离散元算法、块体理论、DDA方法等,其理论基础更符合岩体的性状。
离散元法(DiscreteElementMethod)考虑结构体受力后的运动状态,以及由此导致受力状态及系统的变形(块体运动)随时间的变化,该法由Cundll于1971年首次提出,用来计算结构面和结构体组成岩体的非连续变形,以后又进一步发展了考虑块体本身的弹性变形,并推广至三维和动力问题。目前,离散元应用的文章较多,而研究基础计算方法的文章很少,因此,加强离散元法基础理论、基础算法及误差分析方面的研究,汲取有限元法等数值方法的优点,使之既能保持在描述散体的整体力学行为和力学演化全过程方面的优势,又能有效描述介质局部连续处应力状态和变形状态,使离散元法的模型建立真正满足几何仿真,物理(本构)仿真,受力仿真和过程仿真的原则,是离散元法研究领域的首要工作。
块体理论由石根华(1977)提出并在美与Goodman合作完善起来的,应用几何学、拓扑学碎裂结构岩体。近些年,块体理论在岩体工程中应用十分广泛,E.Hoek等(1998)应用块体理论开发了用于地下开挖工程的分析程序—Unwedge;2001年Rocscience公司推出了Swedge4.0,该软件可以用来计算边墙块体的体积及稳定系数。汪卫明、陈胜宏(1998)在矢体概念的基础上开发出三维岩石块体系统的自动识别方法,该方法能够有效解决包含不规则地形面和非贯通结构面等情况下的复杂块体的识别问题;卢波、陈剑平等通过应用随机不连续面三维网络模拟技术对复杂有限块体的自动搜索及确定其空间几何形态,并提出了“有形即是有限”的分析方法;张子新等把分形几何与块体理论相结合,提出分形块体理论,建立分形块体理论赤平解析法,并把随机概率模型引入分形块体理论,研究了三峡高边坡关键分形块体的滑落概率和分形块体的大小及其分布密度;张子新等将赤平投影图解析化,提出了块体理论的赤平投影解析法,并应用该法分析了某矿卷扬机硐室的稳定性;赵文把概率理论引入节理迹长分布的研究之中,推导了多组节理切割岩体形成关键块体概率的计算公式,从而使原来的一些关键块体转化为稳定块体,减少了关键块的数量。
近年来,石根华又将块体理论进一步发展,1993年由石根华提出的块体系统不连续变形数值分析新方法,简称为DDA方法,该方法是求解块体系统连续变形、大变形和大位移数值分析方法,块体的形状可以是任意的凸凹多边形,块体间也不一定要求角点接触。国内已研制了二维DDA程序软件,并与日本九州大学环境地盘工学研究中心合作将三维块体分析方法应用于三峡船闸高边坡的岩体稳定分析,并对船闸开挖施工过程及其支护效果的数值模拟,绘制了各开挖步序的岩体变形等值线图。
四、岩体结构控制论的工程应用
随着国民经济的发展和大型建设项目的实施,涉及到大量的地下工程建设项目,如采矿巷道、道路隧道、水电工程的地下洞室等。地下工程的一项主要研究工作就是分析围岩应力重分布特点以及变形破坏规律,这些都要受到岩体结构的控制。例如:康立勋通过研究块状结构岩体中自重应力传播的法则,得到了岩体的应力大小受岩块数量以及岩块几何参数控制的结论,并将研究结果用于计算煤炭地下采场顶结构载荷。隧道工程中岩爆和岩体结构关系密切,完整性好的岩体易发生岩爆,当节理裂隙发育到一定程度一般不会发生岩爆;岩层的层厚状态及层面与洞室的空间组合关系与岩爆有重要的关系;优势节
理组与最大主应力的夹角大小也与岩爆紧密相关。
上面提到了岩质边坡变形破坏形式主要受控于岩体的岩性和结构特性。如:河西走廊金川露天矿上盘西区边坡变形破坏、乌江鸡冠山崩破坏和清江水布垭水利枢纽马崖高边坡等属于倾倒破坏;因此,分析岩体稳定性时,应根据岩体的岩性、岩体结构特性等对边坡进行分区,分析各区岩体力学机制和变形破坏机制,再结合边坡开挖各项参数计算边坡稳定性。
一般计算地基沉降变形时,把地基岩体当作各向同性介质,未考虑结构面的影响。其实,当岩体中的节理裂隙发育程度及方位满足某种条件时,则地基的滑移变形将受其中的优势结构面控制。如:章杨松等对润扬大桥节理化岩体,运用优势结构面理论,分析确定了影响和控制岩体地基沉降变形的优势结构面组合,提出了“优势结构面模型”与“遍有节理单元模型”数值分析确定岩体地基沉降变形的联合算法。遍有节理单元模型是考虑遍布岩体中的节理对岩体的受力和变形的影响的数值分析方法计算时输入了众多组结构面的参数,而考虑优势面时只输入两组左右优势面的参数,次要的结构面则忽略之。在相同力条件下,考虑优势结构面影响时,计算的地基变形大于不考虑优势结构面影响时计算的地基变形,说明优势结构面对地基的变形有明显的影响,因而也将影响地基的承载力。
五、结论
本文从岩体工程地质模型、结构力学模型、分析方法和工程应用这四个方面总结了岩体结构控制论的研究和应用现状。根据岩体的岩性特征、结构面发育情况、岩体的地应力、地下水条件等建立岩体的工程地质模型,并将岩体划分为四种力学模型,分析岩体结构控制下的变形破坏机制。介绍了目前用于不连续岩体结构计算的方法。对岩体结构控制论在地下工程、边坡工程、库岸工程和地基基础中的应用作了简单介绍。
参考文献
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[4]孙玉科.工程地质学发展予创新思路探讨之六—《工程地质模型》初论.[J].岩土工程界.6.2.
浇注混凝土直至浇注完毕,因为大量的水化热会在水化时产生,刚开始时会因为混凝土聚集大量水化热,因而内部热量不易挥发,进而造成混凝土中内外温差过大,同时在混凝土的内部产生强烈的拉应力,导致拉应力比此龄期的混凝土容许拉应力大很多时,会形成温度裂缝。另外,再加上通常大体积的混凝土配置钢筋没有深入到内部,因而由混凝土承担因过大的内外温差产生的拉应力,导致更容易产生温度裂缝。
1.2混凝土收缩
然而伴随着初期大量水热化混凝土的渐渐消失,混凝土在后期会逐渐蒸发内部自由水,在外力不影响的条件下,混凝土会伴随着硬结而自发的形成收缩和变形,但是,当这种收缩变形产生时会因为内部钢筋的影响而受限,进而大量的拉应力会产生在混凝土当中,如果混凝土承担不了该拉应力时,就会产生温度裂缝。
1.3温度突变
在土木工程中,待浇注完毕主梁,因为太阳会暴晒主梁的侧面,所以这部分的混凝土的温度显然比其他地方的要高,进而造成内部温度上升呈现非线性,使得主梁因为自己的限制产生过大的局部拉应力,进而因此产生温度裂缝;除此之外,因为暴雨、阵雨以及冷空气等气候变化原因,浇注完毕的混凝土表面温度会骤降,进而导致内外温度形成梯形,如果温度应力达到一定的高温,就会产生温度裂缝。
2土木工程大体积混凝土结构施工技术分析
2.1设计优化
在设计土木工程的时候,必须结合工程当地的气候情况正确选择混凝土配合比,而且还要布置适量的温度钢筋在易产生温度裂缝的地方,以此和拉应力抗衡,与此同时,选择在规定范围内厚度最小的钢筋保护层,防止由于过大厚度保护层而产生的温度裂缝;除此之外,在划分大体积混凝土的过程中,必须利用后浇带和伸缩缝的正确设置来进行规则的分隔,同时还要根据科学设计的混凝土结构形状,扩大混凝土水化热的散热范围,进而防止加快增加其内部温度,进而分散应力,减小产生温度裂缝的可能性;而且,还要最大限度使用二次浇注的方法设计和施工混凝土,而且,在进行二次浇注的过程中为了增加混凝土抗拉能力,必须在其中添加聚丙烯纤维网或者钢筋网。
2.2材料控制
大体积的混凝土之会有温度裂缝产生,原因在于混凝土释放大量的水化热,因此,尽可能使用水热化程度较低的水泥在大体积的混凝土当中,为了最大限度使用较少用量的水泥,还可以利用掺合料的方式,比如可以添加一些粉煤灰等。就混凝土的粗骨料的选择而言,尽可能使用级配良好、强度高和粒径大的粗骨料,可以有效防止混凝土产生收缩变形的现象,与此同时,也不会忽视含泥量和其他有害物质的含量的控制。而在混凝土的细骨料的选择上,就必须符合泵送的要求,尽可能使用细砂或者中砂,这样可以保证以最小的表面积和空隙率充分减少使用水泥的用量。除此之外,为了更好地增加同龄期混凝土的抗拉能力,还可以采用掺加外加剂的方式进行,有效提高了混凝土的和易性,减少水灰配比。
2.3施工控制
在实际施工混凝土浇注时,试验人员的职责是根据现场的情况,及时跟踪坍落度和和易性变化现象并随时测量,根据结果上报搅拌站并及时进行处理。对于混凝土捣固人员来说,要经过严格的培训,考核通过之后才能够上岗,并且要权责明晰,分工明确,特别是要由专职人员捣鼓和处理钢筋集中的地方、端模、拐(死)角等,技术人员和施工员要跟班指挥现场。通过插入式的为主要方式进行混凝土振捣,插入振捣最佳厚度为30cm,以垂直等距离插入到下层间距在60cm以内,高度大约为5~10cm。施工人员必须边振捣边观察,尽可能避免漏振或过振等现象。
2.4冷却管降温
利用提前铺冷却管路在混凝土结构内部中,以此降低在硬化时混凝土内部的温度,保证脚注混凝土完毕后通水循环冷却的正常实施,冷却管路中的水量的范围不能超过1.5m3/h,如果管内为过高水温,那么也会加快水流的速度和流量。施工的部位不能因为冷却管的出水而受到影响,如果混凝土总体初步凝固,那么可以酌情通过该出水进行保温养护。待混凝土养护的步骤结束,为保证混凝土的强度以及其他不受中空的冷却管的影响,所以下一步一般利用真空压浆的方式完成注浆和压浆的工作。