多層不等跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁施工技術(shù)研究

王佳貴

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100176)

1 引言

由于預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁技術(shù)的特點(diǎn)，在許多工業(yè)建筑中可減輕結(jié)構(gòu)自重、形成較大建筑空間，既滿足了建筑物的內(nèi)柱少、建筑平面布置靈活等要求，又可達(dá)到減少梁截面高度、解決配筋過多的缺點(diǎn)[1]，有效控制使用條件下的裂縫和撓度[2]。本文主要研究多層不等跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁施工過程中和運(yùn)營過程中預(yù)應(yīng)力的變形荷載、預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)、質(zhì)量控制措施，防止在預(yù)應(yīng)力張拉后造成框架柱變形及結(jié)構(gòu)板起拱開裂。

2 工程概況

重慶火車北站綜合交通樞紐工程集鐵路、長途、公交、軌道、出租及社會(huì)車輛等多種交通設(shè)施為一體，建筑總面積248 393 m2，地上5層，地下五層。地下空間大跨度框架梁多采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)。不等跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁共147座，分為兩層，梁體混凝土等級(jí)為C40，1 860級(jí)φs15.24高強(qiáng)低松弛鋼絞線，fptk＝1 860 MPa，彈性模量Es＝1.95×105MPa，直徑d＝15.24 mm，單根截面面積為140 mm2。下面以負(fù)三層C-37～C-41不等跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁為研究對(duì)象，對(duì)其預(yù)應(yīng)力施工過程進(jìn)行施工設(shè)計(jì)與監(jiān)測研究(見圖1)。

圖1 C-(37～41)軸預(yù)應(yīng)力筋布置圖

2.1 基本參數(shù)

結(jié)構(gòu)體系主、次梁布置為:主梁施加預(yù)應(yīng)力，次梁不施加。預(yù)應(yīng)力筋按三束設(shè)置，按照正反拋物線與直線形混合連續(xù)布置[3]。先用金屬波紋管留孔、后穿鋼絞線的后張拉預(yù)應(yīng)力方式，預(yù)應(yīng)力筋張拉端采用夾片單(群)錨，錨固端采用擠壓錨。錨具采用OVM錨具系列，兩端張拉，張拉端分別設(shè)在梁的兩端[4]。 控制應(yīng)力:σcon＝0.75×fptk＝1 395 MPa。

2.2 設(shè)計(jì)荷載

作用在預(yù)應(yīng)力梁上的恒荷載包括[5]:梁體自重、樓板、次梁重、樓層裝修自重、粉刷及吊頂?shù)龋换詈奢d主要考慮按人流較大的情況下采用3.5 kN/m2。

3 預(yù)應(yīng)力梁張拉控制力施工設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算時(shí)取連續(xù)三跨作為一個(gè)計(jì)算單元，按三跨連續(xù)梁考慮。同時(shí)，在框架柱支座處，梁截面按矩形設(shè)計(jì)考慮。在跨中區(qū)域，樓板視為框架梁的翼緣板來參與受力分析，此處梁截面按T形計(jì)算。

預(yù)應(yīng)力梁張拉控制力施工設(shè)計(jì)是張拉前進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉力施工的關(guān)鍵[6]，該值的大小會(huì)直接影響預(yù)應(yīng)力施加效果。張拉力設(shè)計(jì)合理，保證滿足梁體的抗裂性，同時(shí)會(huì)防止過大的張拉力造成梁體上拱過大或相連樓板出現(xiàn)裂縫。過小的張拉力造成預(yù)應(yīng)力未按設(shè)計(jì)建立，從而使得梁體可能過早出現(xiàn)裂縫[7]。因此設(shè)計(jì)圖紙上明確標(biāo)明張拉力大小及控制限值。張拉控制應(yīng)力限值一般取0.75fptk(fptk為預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)[8]。

由于受兩端非預(yù)應(yīng)力梁、框架柱及兩側(cè)相連頂板三方向限制，為達(dá)到在預(yù)應(yīng)力張拉后建立的設(shè)計(jì)所要求的預(yù)應(yīng)力值，在施加預(yù)應(yīng)力前根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)應(yīng)力梁張拉力施工設(shè)計(jì)。同時(shí)要求部分抵消由于應(yīng)力松弛、疊層摩擦、預(yù)應(yīng)力筋分批張拉以及彈性壓縮損失等，因此實(shí)際張拉控制應(yīng)力取值提高0.05fptk，按0.8fptk取值。

4 預(yù)應(yīng)力梁施工方案設(shè)計(jì)

4.1 預(yù)應(yīng)力梁模板支撐體系設(shè)計(jì)

不同規(guī)格預(yù)應(yīng)力梁的支架均應(yīng)滿足支撐體系的承載能力、剛度和穩(wěn)定性，支架間距布置要滿足模板施工專項(xiàng)方案要求，能夠承受施工過程中可能出現(xiàn)的最大荷載，并經(jīng)過預(yù)壓試驗(yàn)消除支架變形量。同時(shí)按最大荷載要求進(jìn)行預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全專項(xiàng)方案審查，確保結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)張拉施工技術(shù)及工期要求，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的支撐體系應(yīng)與次梁、板的支撐體系相互分開，但在張拉前應(yīng)通過短鋼管及卡扣使其成為一體，以增強(qiáng)支撐體系的穩(wěn)定性和整體剛度。按技術(shù)要求在張拉前應(yīng)拆除與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相連的底、側(cè)模板和板底支撐系統(tǒng)，保持預(yù)應(yīng)力混凝土梁底模板和梁的支撐系統(tǒng)。

預(yù)應(yīng)力張拉完成、灌漿漿體強(qiáng)度達(dá)到60%強(qiáng)度以后，方可拆除板預(yù)應(yīng)力梁的支撐體系。為加快模板及支架的周轉(zhuǎn)，在梁端處采用預(yù)留張拉槽的方式加快非預(yù)應(yīng)力區(qū)梁板的模板與支架拆除。

預(yù)應(yīng)力梁兩側(cè)模板可先進(jìn)行一側(cè)的封模，在波紋管固定、穿束并驗(yàn)收后進(jìn)行另一側(cè)模板的封模安裝。

梁端模板使用木模板現(xiàn)場拼制，預(yù)應(yīng)力錨墊板提前固定在模板上。核查預(yù)應(yīng)力梁普通鋼筋、模板和波紋管位置、方向，準(zhǔn)確無誤后，進(jìn)行梁端模安裝。

4.2 預(yù)應(yīng)力梁普通鋼筋的鋪設(shè)及綁扎要求

一般情況下在預(yù)應(yīng)力梁普通鋼筋綁扎完成上下層主筋和各肢箍后，即可以穿插進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的制作安裝。由于本工程梁截面尺寸較大，所以梁、板底模分開進(jìn)行鋪設(shè)，以便穿波紋管。框架梁應(yīng)先綁扎縱向鋼筋及箍筋。吊筋可依據(jù)波紋管調(diào)整位置或設(shè)在無波紋管穿過的箍筋空間內(nèi)，拉接筋待預(yù)應(yīng)力筋安裝完畢后再進(jìn)行安裝。

鋼筋綁扎時(shí)，當(dāng)非預(yù)應(yīng)力筋與預(yù)應(yīng)力筋布置發(fā)生矛盾時(shí)，可調(diào)整非預(yù)應(yīng)力位置，以確保預(yù)應(yīng)力的位置和形狀。端頭非預(yù)應(yīng)力筋較多，確有困難時(shí)應(yīng)與設(shè)計(jì)人員商量后確定。

梁端支座處端部錨固筋、加強(qiáng)筋較密，錨墊板、螺旋筋的安裝可能比較困難，應(yīng)對(duì)普通鋼筋進(jìn)行事先排列，同時(shí)必須保證與孔道垂直。梁端的錨固筋錨固長度如妨礙張拉端布置，可進(jìn)行必要移位或調(diào)整錨固方向。

當(dāng)預(yù)應(yīng)力梁跨越后澆帶或分段施工時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力施工的特殊性，整道預(yù)應(yīng)力梁的非預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)一次全部綁完，待后澆帶或下一段施工完成后才可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉施工。

4.3 預(yù)應(yīng)力鋪設(shè)方式設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力筋的鋪設(shè)在本工程中采取先鋪設(shè)波紋管再穿束的方式，穿束完成全部檢查合格后封單側(cè)模板的施工順序。

波紋管設(shè)置要求:本工程設(shè)計(jì)圖紙要求次梁10孔采用內(nèi)徑φ90 mm波紋管，主梁15孔采用內(nèi)徑φ100 mm金屬波紋管，接頭管采用內(nèi)徑95 mm和105 mm的金屬波紋管。接頭處要采用塑料膠帶進(jìn)行密封纏繞，防止混凝土澆筑時(shí)混凝土漿進(jìn)入波紋管，影響預(yù)應(yīng)力筋的張拉。

波紋管的固定:波紋管的固定采用點(diǎn)焊小橫筋加箍方式或底部馬凳筋兩種方法。依據(jù)設(shè)計(jì)曲線，計(jì)算出固定點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)，經(jīng)審核無誤后在模板或主筋上定出水平尺寸，把豎向坐標(biāo)標(biāo)在箍筋上，若此處沒有箍筋可在相鄰箍筋上標(biāo)定。馬凳筋應(yīng)根據(jù)圖紙所示的預(yù)應(yīng)力筋中線，用距板底的矢高減去預(yù)應(yīng)力筋半徑進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。在板底鋼筋綁扎完成后，按照預(yù)應(yīng)力筋矢高定位點(diǎn)的位置，把相應(yīng)的馬凳筋安裝穩(wěn)固。加固點(diǎn)間距應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，防止波紋管橫縱向位移。

從梁側(cè)看，波紋管曲線應(yīng)平滑連續(xù)。波紋管安裝就位過程中，在調(diào)整角度時(shí)不得反復(fù)彎曲，防止管壁開裂。同時(shí)還應(yīng)防止焊接作業(yè)時(shí)焊花燒傷管壁。

預(yù)應(yīng)力筋穿束:鋼絞線采用人工整束穿束法。穿束前先將鋼絞線端部與牽引繩捆扎結(jié)實(shí)牢靠，鋼絞線束端部用膠布包緊，鋼絞線束中間捆扎采用鋼絲，接扣向內(nèi)，防止劃傷波紋管，然后把鋼絞線從波紋管一端穿至另一端。采用兩端張拉的預(yù)應(yīng)力束，當(dāng)穿進(jìn)困難時(shí)不能硬頂，防止波紋管被頂破，此時(shí)應(yīng)將鋼絞線束往復(fù)輕抽、輕推、慢轉(zhuǎn)，必要時(shí)應(yīng)檢查波紋管是否通順。穿束后對(duì)端模外鋼絞線應(yīng)進(jìn)行保護(hù)，在鋼絞線外封閉包扎油布筒，前端用膠布封閉。在穿束完成后應(yīng)對(duì)波紋管進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)破洞等現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)進(jìn)行封閉處理。

5 預(yù)應(yīng)力與伸長值雙控監(jiān)測的二次超張拉方法

預(yù)應(yīng)力與伸長值雙控監(jiān)測:預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)在嚴(yán)格控制張拉力的同時(shí)，通過伸長值的校核，可以監(jiān)測出張拉力是否滿足設(shè)計(jì)要求、孔道摩阻系數(shù)采用是否合理。

二次超張拉方法[9]:超張拉的目的是減少預(yù)應(yīng)力損失，包括預(yù)應(yīng)力筋錨固損失、預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁及在轉(zhuǎn)向裝置處摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失、預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛損失。第一次在超張拉時(shí)已抵消一部分松弛應(yīng)力損失，所以在第二次張拉時(shí)，主要是抵消預(yù)應(yīng)力筋的錨固損失。

張拉順序:為保證結(jié)構(gòu)在施工過程中不出現(xiàn)收縮裂縫及對(duì)梁有效地施加預(yù)應(yīng)力，根據(jù)后澆帶的留設(shè)位置及封閉順序分段錨固預(yù)應(yīng)力筋，以便在后澆帶封閉之前張拉一部分預(yù)應(yīng)力束。既能保證結(jié)構(gòu)能有效地建立起預(yù)應(yīng)力，又能減少模板的占用時(shí)間，加快施工速度。張拉順序按施工圖要求采用分區(qū)分塊進(jìn)行；以結(jié)構(gòu)縫或后澆帶為分界，由兩側(cè)向中間依次進(jìn)行張拉。先張拉框架梁，后張拉次梁。框架梁和次梁均按順序逐根張拉。

預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)按左右對(duì)稱的順序進(jìn)行張拉或多臺(tái)設(shè)置同時(shí)張拉。張拉完畢后，應(yīng)檢查端部和其他部位是否有裂縫，并填寫張拉記錄表。

張拉方法:首先調(diào)整初應(yīng)力，之后第一次超張拉達(dá)到1.05～1.1σcon。在此應(yīng)力下持荷2～5 min，卸荷至零，然后第二次張拉至σcon。

5.1 伸長值的理論計(jì)算

依據(jù)《建筑施工手冊(cè)》計(jì)算方法，針對(duì)正反拋物線與直線形預(yù)應(yīng)力筋伸長值的理論計(jì)算應(yīng)該分段計(jì)算，然后再疊加。

式中，Li為第i段預(yù)應(yīng)力筋長度；δi1、δi2分別為第i段兩端預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力；Es為預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量。

5.2 實(shí)際操作與伸長值對(duì)比分析

實(shí)際張拉方式:第一次張拉10.5σcon持荷2 min，卸荷至零，第二次張拉至σcon。

預(yù)應(yīng)力筋實(shí)際伸長值的測量，采用量測鋼絞線絕對(duì)伸長值的方法。通過表1可以看出，在依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際取定的張拉控制力作用下，實(shí)際伸長值百分比均在±6%之內(nèi)，符合規(guī)范要求。

6 預(yù)應(yīng)力框架梁應(yīng)力監(jiān)測

框架梁采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)[10]，其目的是對(duì)框架梁體混凝土受拉區(qū)預(yù)先在外力作用下建立起預(yù)壓應(yīng)力，以抵抗大跨度或重荷載在混凝土結(jié)構(gòu)中的效應(yīng)。因此，對(duì)預(yù)應(yīng)力框架梁應(yīng)力監(jiān)測是評(píng)價(jià)預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方法主要有錨端測量[11]、混凝土壓應(yīng)變間接測試法、無損超聲波檢測法。本工程采用振弦式應(yīng)變計(jì)通過混凝土壓應(yīng)變間接測試法進(jìn)行分階段監(jiān)測。

表1 負(fù)二層C-37至C-41梁段張拉控制結(jié)果

6.1 測試點(diǎn)的布置與應(yīng)變計(jì)安裝

測試點(diǎn)選擇在下層預(yù)應(yīng)力梁的受拉區(qū)和受壓區(qū)，具體布置見圖1。

應(yīng)變計(jì)安裝:(1)梁側(cè)模拆除后將圖示標(biāo)定安裝位置打磨清理干凈；(2)采用膠粘方式安裝應(yīng)變計(jì)基座；(3)基座檢查合格后安裝應(yīng)變計(jì)。

6.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集分三個(gè)階段進(jìn)行，即張拉后、灌漿后、上層梁混凝土澆筑后。

6.3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

從表2可以看出，各階段預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力實(shí)測值與設(shè)計(jì)值吻合較好，張拉后和灌漿后預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力略小于設(shè)計(jì)值。隨設(shè)計(jì)荷載的增加及時(shí)間的推移(上層梁澆筑完約在灌漿后1個(gè)月的時(shí)間)，預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求且處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 不同階段實(shí)測值與設(shè)計(jì)值對(duì)比MPa

7 結(jié)論

本工程不等跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力框架梁通過設(shè)計(jì)階段的驗(yàn)算推理及施工階段的控制與監(jiān)測，與預(yù)應(yīng)力梁對(duì)應(yīng)的框架柱未出現(xiàn)變形傾斜，與梁體相連接的樓層板上拱度也在可控范圍內(nèi)，沒有較大裂縫出現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量可控。同時(shí)通過試驗(yàn)及數(shù)值分析，依據(jù)多層不等跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力特征和預(yù)應(yīng)力的分布規(guī)律，制定了一套防止在預(yù)應(yīng)力張拉后造成框架柱變形及板起拱開裂的施工方法和工藝。通過張拉伸長值測量及測試取得的數(shù)據(jù)與理論分析，得出如下結(jié)論:

(1)多層不等跨等截面連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁由于受兩端非預(yù)應(yīng)力梁、框架柱及兩側(cè)相連頂板三方向限制，張拉控制應(yīng)力取值應(yīng)提高0.05fptk，按0.8fptk取值。

(2)通過雙重控制的二次超張拉方法減小預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失，同時(shí)確保了預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求[12]。