房建工程預應力混凝土屋面梁施工技術

劉 河

(1.中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都 610023; 2.中國五冶集團有限公司, 四川成都 610023)

在房建工程施工中，預應力混凝土屋面梁是一種為了減小梁體的截面高度及自重，對大跨度屋面梁提前施加預應力，用以改善大跨度混凝土梁體使用性能的工藝做法。在同跨度的屋面梁施工中，預應力混凝土梁的應用同比普通屋面梁將減少了20%以上的梁體截面及自重，可在公共建筑(學校、醫院等)有大空間需求的建筑物中廣泛使用。

預應力混凝土屋面梁旨在解決結構空間大、跨度大的建筑物梁體過大的情況。在國外發展迅速，在歐洲、日本及我國港澳地區、內陸沿海地區都得到了廣泛的應用，歷經幾十年的不斷發展,預應力技術已經比較成熟穩定。預應力混凝土梁的抗震性好,很多公共建筑設計要求都是8度設防，預應力梁在增加學校、醫院類大空間公共建筑的梁體跨度方面具有優越性。同時類比普通混凝土梁，預應力梁的承載力、強度都有很大的提升，能夠更好地保證公共建筑的安全性。但房屋建筑屋面梁中應用預應力，施工質量控制較難，技術性要求較大,施工時對HBPE波紋管預留、混凝土澆筑振搗、預應力筋張拉及孔道壓漿及封錨等都要進行嚴格的質量把控。

1 預應力混凝土屋面梁的特點

某學校圓形報告廳預應力梁施工概況：本案例項目為一所職業中學2#樓，結構設計為圓形多媒體報告廳，報告廳由鋼結構舞臺、混凝土樓梯及夾層、屋面馬道等組成。結構直徑為35.4 m，建筑層高為16 m，內部無受力結構柱，僅由邊柱與預應力梁形成框架受力體系，支撐該大空間圓形結構。本工程屋面梁設計為緩粘結預應力后張法混凝土梁，屋面梁梁體截面尺寸為500 mm×1 500 mm×35 400 mm。預應力筋直徑采用標準的φ15.24 mm鋼絞線、單束鋼絞線面積為140 mm2，每1 m重量1.101 kg。預應力梁縱橫交叉設置，預應力管道分布錯位比較困難；張拉長度達到35.4 m，所以管道預留安裝、預應力筋穿束、混凝土澆筑、預應力筋張拉技術、以及質量控制都是本次施工控制的重難點(圖1)。

預應力屋面梁：

(1)剛度較普通鋼筋混凝土梁大、承載力強、抗裂性能好。承載力計算：

軸向拉力設計值N=528.000

梁體正截面抗裂驗算：裂縫寬度為0.000 mm，滿足小于0.100 mm裂縫寬度驗算要求。在荷載準永久組合下，受拉邊緣應力σcq-σpc=-1.92≤ftk=2.39 N/mm2，構件受拉邊緣應力滿足要求。

(2)耐疲勞性能強：因為屋面梁具有預應力筋，在使用階段受荷載引起的應力變化幅度相對較小，故此可以提高屋面梁的抗疲勞強度。

(3)穩定性：對梁體提前施加了預應力，可有效抵抗豎向荷載壓力，梁體變形較小，提高梁體及周圍板體結構的穩定性。

(4)節材環保：預應力筋采用高強鋼絞線，由于提前施加預應力相對普通梁體優勢較多，可以相對減少鋼筋用量和梁體結構尺寸，節省鋼材和混凝土，降低結構自重，對大跨度和重荷載結構有明顯的優越性，尤其適用于大跨度屋面梁。

2 預應力混凝土屋面梁施工

施工工藝流程見圖2。

2.1 施工準備

(1)預應力梁施工前，應對QM15-n錨具、HDPE波紋管、錨板、夾片、注漿管、溢漿管、連接器進場驗收，查看合格證及相應復試報告；千斤頂及配套油泵等必須經過檢測檢驗，合格后方可使用，且每張拉200次或間隔6個月必須重新進行校定。

(2)預應力梁張拉平臺搭設必須符合要求，預應力筋張拉前必須將預應力梁混凝土養護到位，達到設計強度。

2.2 鋼筋安裝及管道預埋

(1)鋼筋安裝時提前預留好預應力筋穿管位置，按要求預留預應力筋穿管并用井字架固定牢固，防止澆筑混凝土時發生擾動，確保預應力筋穿束的曲線形狀及矢高(圖3)。

圖3 井字架及波紋管安裝示意

(2)預留有粘結預應力筋穿管為高密度聚乙烯樹脂塑料波紋管，強度及性能應符合要求。張拉端與錨固端設置25 mm厚承壓板、C16螺旋筋、間隔50 mm設置鋼筋網片等加固措施，防止張拉時破壞梁端混凝土(圖4)。

圖4 錨固端及張拉端加固示意

(3)預應力筋線型控制應通過計算式y=yA/xA2·x2，按固定井字架間距提前標定好xA、yA長度，計算出線型控制點y的坐標，從而方便在施工中控制預應力梁C4線型(圖5)。

圖5 C4線型控制示意

2.3 混凝土強度檢測

(1)預應力梁混凝土梁設計要求混凝土中不得使用任何摻加含氯離子的外加劑，因氯離子對鋼絞線有一定的腐蝕作用，因此澆筑前必須對商混站進行技術交底。切斷鋼絞線必須使用砂輪鋸等物理切割方式，用于錨具封閉保護的混凝土為C40細石混凝土，封錨后養護到設計強度。

表1 線型控制計算

(2)預應力筋張拉之前，按照深化圖紙進行技術培訓，現場必須進行混凝土回彈檢測，保證混凝土強度不低于設計強度的百分之百。

(3)端部受壓區截面尺寸驗算:

局部受壓面上作用的局部壓力設計值Fl=1.2γ0σconAp=4640.33 kN；1.35βcβlfcAln=5443.42 kN；5443.42≥4640.33 kN，端部受壓符合要求。

2.4 預應力筋安裝

(1)預應力筋安裝時由于梁體主筋、箍筋、抗扭鋼筋的影響，可能造成預應力管道預埋發生偏差，此時應該優先保證HDPE波紋管的定位。2個方向的次梁預應力筋在跨中失高沖突時，應分主次進行微調，短跨方向可適當調整，保證長跨方向準確度。

(2)灌漿孔和排氣孔布置需滿足相關規范要求，泌水管在梁側設置可兼做注漿管。

2.5 預應力筋張拉

(1)預應力筋張拉提前進行深化設計，2號樓圓形報告廳位置從梁側次梁開始，每根張拉一道，對稱循環張拉完畢。次梁張拉完畢后進行主梁張拉，最終一次性張拉完成。張拉平臺應在方案中明確做法，保證張拉安全。

(2)此案例2號樓屋面梁梁體最大跨度為35.4 m，采用分段張拉做法；預應力控制為1 860×0.75，不得超過1 395 MPa，每根梁均有2束預應力筋，每束預應力筋有4根、7根、9根及13根等規格。

(3)通過計算式ΔL=PpL/ApEp、Pp=P[1-e-(kx+μθ) ]/(kx+μθ)、Ap=Pe-(kx+μθ)，計算出預應力筋的理論伸長量，其中Fptk=1860 N/mm2、Nk(N)=1860 N/mm2×0.75=1395 N/mm2、Ap=140 mm2、Ep=195 000 N/mm2、k=0.0015、μ=0.2。張拉預應力筋的實際伸長值不得超過理論伸長值±6%范圍，若超出規范范圍則應停止張拉，及時進行現場勘察，找出影響預應力筋張拉的因素，解決后方可繼續張拉。

(4)預應力損失計算

張拉控制應力:σcon=1395.00 N/mm2

張拉端錨具變形和鋼筋內縮引起的預應力損失：σl1=0.00 N/mm2

預應力鋼筋與孔道壁之間的摩擦引起的預應力損失：σl2=87.06 N/mm2

預應力鋼筋的應力松弛引起的應力損失：σl4=48.83 N/mm2

由于混凝土的收縮徐變引起的預應力損失：σl5=68.38 N/mm2

用螺旋式預應力鋼筋的環形構件的預應力損失：σl6=30.00 N/mm2

第一階段預應力損失：σ1=87.06 N/mm2

第二階段預應力損失：σ2=147.21 N/mm2

總預應力損失：σl=σ1+σ2=234.26 N/mm2

(5)預應力筋每次張拉完成后應觀察鋼絞線的錨固情況，不得少于12 h，無異常后方可進行水泥漿孔道灌漿作業(圖6、圖7)。

圖6 縱橫交叉節點

圖7 預應力筋縱橫交錯布置示意

2.6 灌漿

(1)在張拉完成后2天內一次完成預應力筋孔道灌漿，注漿時應保持勻速、緩慢，不得壓力過大，灌漿中途不得停頓，溢漿孔冒出濃漿后觀察10～20 s，穩定溢漿后方可停止。

(2)水泥等級：不小于P.O42.5級，水泥種類：硅酸鹽水泥；水泥漿制作時提前進行配合比計算，水灰比應嚴格控制，在0.4～0.45之間，28天后水泥漿預留試塊強度檢測應不低于40 MPa。

2.7 封錨

(1)封錨前預應力筋不可使用電弧切割，防止預應力筋淬火，應使用物理切割方法。

(2)切除多余預應力筋，外露筋長度控制在3 cm以內。

3 預應力混凝土屋面梁技術措施

(1)預留波紋管孔道位置必須定位準確，按照深化圖紙要求，線型為C4線型，反彎點位置應現場測量。每根管道沿長度方向每隔500～1 000 mm設置井字形定位鋼筋，定位筋焊接在主筋上，管道偏差縱向應不大于1 cm，橫向控制在0.5 cm 以內。

(2)預應力梁排氣孔應設置在孔道最高位置，孔徑8～10 mm，灌漿孔宜設置在下方，孔徑25 mm。

(4)預應力張拉順序：0→0.1δcom→0.5δcom(回油，釋放千斤頂)→1.0δcom，每級張拉均應持荷180 s。

4 預應力混凝土屋面梁質量控制措施

(1)張拉前對屋面預應力梁進行強度回彈檢測，在監理單位見證下按照回彈檢測要求，回彈檢測16點，去掉最高值、最低值各3點，剩余10點計算平均值，要求回彈檢測強度不低于C40。張拉主要以油泵讀數顯示計算應力來控制。

(2)在施工過程中，振動棒接觸預埋波紋管、工人操作不當等都有可能造成波紋管破損，破損的波紋管澆筑混凝土時易造成混凝土流入管內，凝固后鋼絞線無法張拉。處理方法應通過導向球來回穿插，使管道內混凝土破壞后排出管道。

(3)張拉過程中應先給鋼絞線一個初應力，使鋼絞線拉緊受力，然后再將油泵回油，調整油表歸零，這樣可以使實測伸長量更趨近于理論伸長量。

(4)張拉過程中還應隨時關注梁端混凝土是否出現破損裂縫、觀察夾片、錨具、鋼絞線等是否正常，施工工人應站在側面防止千斤頂彈射或鋼絞線斷裂傷人。

5 總結

本屋面梁預應力混凝土施工，提前進行深化設計，計算C4線型曲線控制，現場施工時嚴格按照深化設計要求進行波紋管預留、預應力筋穿束、錨固端與張拉端加固、混凝土澆筑振搗、以及后續的張拉及封錨。最后安裝軸力計來檢測預應力是否損失。

施工以技術先行、深化設計及方案作為施工依據，在各單位緊密配合及支持下，大跨度無柱預應力混凝土屋面梁嚴格按照深化圖紙及設計要求順利張拉完成。