寒冷地区大空间混凝土结构冬季施工保温措施分析

摘 要：哈尔滨站改造工程是黑龙江省和哈尔滨市政府的重点工程，由于工期需求，北广场地下交通枢纽主体结构工程面临着不间断冬季施工问题。虽然，当前对于冬季施工有着相应的技术规范和措施，但由于本项目的主体结构工程占地超过3万平米，高度14m，如此大空间主体结构的冬季施工在国内尚属首例，加之现场周边环境复杂，人口密集，如果施工措施不当会带来无法预知的风险，这无疑给北方地区冬季城市轨道交通的施工带来了前所未有的困难。因此，针对寒冷地区冬季的混凝土连续浇筑施工问题，有必要选取有效的保温措施，确保混凝土质量。文章结合现场实际情况，提出了采取保温棚法的施工技术方案，通过热传导理论分析了大空间保温棚的热量计算及能源消耗，总结出一套“寒冷地区大空间混凝土结构冬季施工保温措施”，实现主体结构在冬季的连续混凝土浇筑施工，并保证工程质量，为今后类似工程的开展提供相关依据。

关键词：大空间主体结构；寒冷地区；保温棚

中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0157-03

1 概述

我国北方寒冷地区冬季漫长而寒冷，特别在黑龙江省，冬季最低气温可达-30℃以下。根据《建筑工程冬期施工规程》（JGJ104-2011）的规定，当室外日平均气温连续5天小于5℃，即进入冬季施工；当室外日平均气温连续5天大于5℃时，解除冬期施工。混凝土结构工程的施工一般要避免在冬季开展，但是随着市政建设工程越来越多，北方寒冷地区的大部分工程都面临着工期紧问题，迫不得已需要在冬季开展连续施工，以保证工期。混凝土质量是大型建筑结构工程质量的重要组成部分，新浇筑的混凝土如果受冻，混凝土中的水将会结冰，不仅体积增大而且不再参与水化作用而导致混凝土各项物理力学性能急剧下降，达不到设计要求，及时能够达到强度设计要求，但是也会导致混凝土的耐久性不足。因此，对于冬季施工工程而言，在冬季低温环境中必须采取必要的保温措施来防治混凝土遭受冻害，从而保证整个结构工程的质量和工期。

保温棚法是我国逐渐发展起来的一种冬季施工工艺，随着冬季施工快速发展，逐渐在国内因地制宜的出现了满堂红式保温棚、悬索式塑料保温棚等各具特色的方式。但是施工的混凝土结构和建筑物所处的位置、形状对保温棚的形式，而且保温棚的材料消耗、能源消耗和加热设备等都需要充分论证。本项目由于占地空间大，空间高，因此对保温棚的结构形式、加热方式、能源消耗等进行分析。

2 工程概况

本项目为哈尔滨站改造市政配套工程北广场地下交通枢纽工程上部主体结构建设工程，位于哈尔滨市道里区哈尔滨市火车站站房北側，建筑层数：建筑地下2层，地上1层，属于多层公共建筑；建筑规模：总用地面积34500m2，总建筑面积61191.66m2，其中地下一层：29535.48m2、地下二层：30613.33m2、地面出入口1042.85m2，混凝土浇筑方量达53000m3。由于工期紧张，哈尔滨站北广场项目的主体部分全部在冬期施工，由于冬季最低温度可以达到-30℃，开展如此大规模的混凝土浇筑在国内尚属首例，加之现场周边环境复杂，人口密集，如果施工措施不当有可能导致浇筑后的混凝土品质下降，带来无法预知的风险。

3 方案的选定

经研究、比较，本工程施工采用保温棚全封闭法施工。保温采用轻型门架式钢结构房屋对基坑全封闭，使基坑与室外分离，形成一个大的封闭空间，确保室内外热量缓慢流通，施工质量、进度及安全都能保证且抗风雪能力强。更为重要的是，材料可以在工厂内提前加工，进场后可以快速组装，能够满足施工最快化的要求。

4 保温棚耗热量及能源消耗计算

4.1 保温棚体积

根据保温棚和基坑设计资料，保温棚长为290m，宽为126m，基坑深11.4m，保温棚侧墙高3.5m，脊高6m，双侧为人字坡，由此可以计算得到保温棚空间的体积为654066m3。

4.2 保温棚的耗热能

暖棚内平均温度要求达到10℃以上，按12℃考虑，室外温度按-30℃。暖棚骨架采用钢结构沿基坑顶四周搭设，暖棚围护采用岩棉板，厚度为8cm，风速按5m/s。保温棚耗热量按下面的公式计算：

式中：Q0-保温棚总耗热量；Q1-通过围护散热量；Q2-保温棚升温耗热量；A-保温棚总表面积，根据设计方案，总表面积为40373.34m2；K-结构维护层总传热系数；结构维护层总传热系数K通过下面公式计算

公式（2）中：？姿i第i层材料导热系数，di-第i层材料厚度。

本次保温棚的维护层位1层，采用岩棉板材料，其导热系数？姿1为0.04，材料厚度d1为0.08m。根据公式（2）计算得到结构维护层传热系数K=0.49；Tb-保温棚内温度，不低于10℃，这里取12℃计算；Ta-室外温度，这里取哈尔滨冬季最低温度，按-32℃计算；V-保温棚体积，654066m3；n-每天换气次数，这里取2；Ca-空气比热容，这里取1kj/kg*K；Pa-空气容重，这里取1.37kg/m3。

根据公式（1）可以计算得到通过围护散热量，这里假定基坑底板和围护桩不会散发热量，热量主要通过保温棚散发，Q1计算如下：

根据公式（1）可以计算得到保温棚升温所耗热量，Q2计算如下：

保温棚总的耗热量Q0为：

4.3 能源消耗

假设采用燃煤来升温，则煤用量（燃料采用无烟煤）可以根据公式（3）计算，如下：

（3）

式中：Gp为所需煤的质量；Q0暖棚总耗热量；？浊热效率，这里取0.8；R为每千克煤的发热量，这里取31000kj/kg。

由公式（3）可以计算得到每小时需要消耗的无烟煤质量：

Gp=22774741*3.6*0.8/31000=2116kg

即保温棚的每小时需要消耗无烟煤2116kg，该保温棚面积为36540平米，折合保温棚每100平米每小时耗煤5.79kg。

需要说明的是：这里采用的是冬季最低温度（-32℃）进行的消耗数量计算，是为了保证最不利情况下的锅炉能够提供相应的热量需求，实际工程施工过程中天气变化较为频繁，因此煤的消耗量会随着外部气温有着较大变化，在本项目的研究中通过布设温度传感器对保温棚内部环境温度的监控来控制加热数量，实现了能源消耗的节约。

5 保温棚安装施工工艺

安装顺序如下：柱脚预埋→柱子系统→吊车梁系统→屋面系统→墙架系统→屋面及墙面彩板维护结构。

5.1 柱脚锚栓安装

需提前预埋在筏板基础内，在筏板混凝土强度等级≥75%后，方可进行柱脚锚栓的预埋工作。安装流程：测量定位尺寸做好标记-定位板校正→地脚螺栓校正→整体固定校核

5.2 钢柱安装与校正

保温棚的钢柱吊装前，必须对保温棚结构柱的编号、尺寸、螺孔位置及直径等进行全面检查复核。保温棚的钢柱起吊前，将吊索具、爬梯、溜绳以及防坠器等固定在钢柱上。

保温棚钢柱起吊拟采用单机回转法起吊，为保证吊装均衡，首先要保证吊装点平衡和钢丝绳的强度，然后钢柱应横放在垫木上；起吊时，不得使柱端在地面上有拖拉现象，钢柱起吊时必须距地面高度两米以上才开始回转。保温棚钢柱起吊就位误差要求控制在3mm以内。

钢柱就位后，通过在柱底中心设置砂浆垫块来调整垂直度，然后通过经纬仪角度测量钢柱的纵横两个轴的偏差，分别通过千斤顶和缆风绳进行内外调整达到设计要求。

5.3 吊车梁安装

吊车梁牛腿安装采用25t吊车单机安装方式进行，因为单个牛腿重量相对较轻，在被吊起后，人工摆正比较容易，按照测量人员预先划好的线位，先初焊接、检查位置是否完全吻合，待确认无误后进行满焊焊接，焊缝高度和宽度须满足设计及使用要求。

5.4 屋面钢梁安装

钢梁制作完成后，选择钢梁的起吊点加焊吊耳，确保其强度，然后进行吊装到达预定高度时，开始钢梁就位，下落速度控制在在3米/分钟，钢梁接近就位位置时，两名安装工人要分别用手扶住钢梁，将钢梁拖至就位位置。通过螺栓将钢梁与柱体连接。

钢柱与钢梁结点的连接采用高强螺栓完成，施工时梁与连接板的贴合方向要一致；高强螺栓的穿入方向要一致；钢梁安装时孔位偏差的处理，只能采用机具绞孔扩大，而不得采用气割扩孔的方式。

钢梁安装后应及时拉设安全绳，以便于施工人员行走时挂设安全带，确保施工安全；钢梁的临时固定：梁两端安上临时螺栓后塔吊即可脱钩。

5.5 屋面及墙面彩板安装

5.5.1 屋面板施工方法

施工时先确定隅撐在檩条到梁边距离，然后将隅撑拆下，将底板用自攻螺丝固定于檩条上（檩条下折边），依照量出的尺寸在底板上开孔，再将隅撑依次安装，在安装完收边板后才能安装下半节板，依次进行。屋面安装完成后，应采用淋水实验的方法，对封闭的建筑物节点部位进行防水检测。

5.5.2 墙面彩板的安装

墙面系统彩钢板的安装，应首先对安装好的墙面檩条进行检查，包括檩距是否和图纸一致，垂直度和水平度是否在同一平面，檩条防腐层是否完好，门窗位置是否和图纸一致，如发现与图纸不符，及时调整或更改。

6 保温棚的加热系统布置

根据前面计算得到的保温棚热量消耗和能源消耗，可以得到保温棚需要设置的锅炉数量为4台4吨的燃煤蒸汽锅炉实现加热。

（1）总体热负荷供暖需求：因建筑物分区施工，共分8个区段进行施工，因此可分区进行供暖，建筑物进行混凝土浇筑养生期间，可进行集中供暖以提高施工温度，使室内施工养生区域温度达到15℃以上，缩短养生期。

（2）锅炉房设置：根据现场实际情况设置临时锅炉房（出于对施工现场的实际情况考虑，如情况允许设置两个锅炉房，每个锅炉房设置两台锅炉），建筑面积约为150m2。内设置每组两台循环泵，定压设备一台，水箱一座，锅炉房内所有管道加装铝箔玻璃棉保温，厚度为50mm。动力引自临时变压器低压配电柜，设置动力配电柜一面，照明闸箱一个。

（3）外网设置：从锅炉房分水器按每个施工段引出总干管一路，管网架空设置，设置高度2m，保证施工人员正常通过，施工现场道路设置高度5m，以保证施工车辆正常通过。

（4）施工段内采暖系统设置：总干管一路引入后通过集分水器三个回路进行采暖。其中在彩钢板设置的封闭大棚内设置一路，负二层室内设置二路，如无法保证室内温度的恒定，则在负二层顶板浇筑完毕后再设置一路进行采暖。室内采暖采用自制排管散热器和暖风机共同散热采暖，在彩钢板设置的封闭大棚内设置的一路采用大功率暖风机进行采暖。其中每层建筑物内共设置8个循环回路，每个回路安装排管散热器10组，每个供暖回路设置10组排管散热器，在辅以6台暖风机辅助采暖（共计48台）。

（5）材质选用：热水管网采用焊接钢管，分水器前管道需要保温，采用铝箔玻璃棉保温，厚度为50mm。排管散热器采用89钢管制作，每根6m，四根一组。

7 结束语

本文结合“哈尔滨站改造市政配套工程北广场地下交通枢纽工程上部主体结构” 的建设工程，提出了采用轻型钢结构的保温棚法对大空间混凝土结构的冬季施工进行保温的施工方案，完成了保温棚的热量计算和能源消耗计算，给出了钢结构保温棚的安装施工工艺流程，并结合施工过程制定了保温棚内的加热系统和流程，通过施工现场和混凝土质量检测总结出一套大体积混凝土冬季施工保温棚法的措施及其施工工艺，能够有效保证混凝土的质量，并且简单、便捷，值得广泛推广应用。

参考文献：

[1]哈尔滨站改造市政配套工程北广场地下交通枢纽工程上部主体结构施工设计图[Z].2016，09.

[2]建筑工程冬期施工规程.JGJ/T104-2011[S].

[3]混凝土结构工程施工规范.GB50666-2011[S].

[4]混凝土结构工程施工质量验收规范.GB50204-2015[S].

[5]建筑地基基础工程施工质量验收规范.GB50202-2002[S].

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