大跨度預應力混凝土框架結構施工變形特征研究

王丹濤 WANG Dan-tao；田佳岐 TIAN Jia-qi

（①中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，西安 710054；②寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021）

0 引言

預應力混凝土因其節省材料、自重輕、剛度大、變形小等優點，近年來被廣泛應用于大跨度鋼筋混凝土建筑結構[1]。

根據預應力混凝土澆筑與張拉順序的不同，可以將預應力混凝土施工方法大致分為“逐層澆筑，逐層張拉”、“多層澆筑，順向張拉”和“多層澆筑，逆向張拉”[2]。對于同一結構，施工方案的不同會引起不同的施工荷載，不僅造成結構內力與變形的差異，還可能影響施工安全性。圍繞不同施工方案對預應力混凝土結構造成的施工荷載差異，國內學者做了大量研究工作。潘珉[3]以實際工程為案例，通過對比連廊與主樓施工順序所引起的結構響應差異，提出采取“先施工主樓，后施工連廊”的施工順序，從而實現了縮短施工工期，降低成本的目的。王立波，張羽[4]通過數值模擬方法，對比分析了不同張拉順序對結構邊梁的效應，提出了預應力混凝土最優張拉方案。楊瑋，潘寒等[5]通過對比分析4種不同施工方案條件下結構內力與變形特點及預應力損失等參數，提出采用“數層灌漿，逐層張拉”方案效果更優。

合理的施工方案不僅是確保施工安全的前提和保障，還是實現“四節一環保”的重要基礎。然而，由于不同工程之間存在顯著的差異性，基于某一特定工程取得的已有研究成果難以做到普遍適用和推而廣之。對于某些造型獨特、構造復雜的建筑結構，十分有必要基于工程特點開展針對性研究。本文以某大跨度預應力混凝土結構為原型，根據工程特點開展基于施工力學原理的數值模擬計算，在模態分析的基礎上，對比分析了整體澆筑“順向張拉”與“逆向張拉”的所引起的結構內力與變形差異，以期為施工方案制定和優化，以及施工變形監測提供理論依據和技術參考。

1 數值模型建立

采用結構分析軟件SAP2000，建立某大跨度預應力混凝土框架結構有限元模型，采用“階段施工方法”模擬預應力張拉過程中結構內力與變形特征。結構為5層框架結構，其中，除首層與第二層層高分別為5.6m和5.1m，其余各層層高均為4.2m。

混凝土強度等級為C40，箍筋和縱筋強度等級均為HRB400。預應力鋼筋采用高強低松弛緩粘結鋼絞線，設計張拉控制應力為1395MPa；預應力筋線形采用拋物線布設形式。預應力筋從框梁外側進行張拉。建模過程中，在定義預應力荷載時，不考慮預應力損失，結構數值模型如圖1所示。

圖1 模型三維效果圖

2 結構模態分析

建筑結構模態分析是采用建筑結構固有特征來描述結構特征和狀態的方法，可作為評價結構布置均勻合理與否的重要指標，對于掌握建筑結構動力特性及施工方案優化具有重要參考價值。對此，分析計算了如圖2所示的前6階模態。由圖可見，結構前兩階模態基本呈現出兩個正交方向的平動姿態，第一階模態出現局部扭轉現象，說明結構剛度與質量分布存在一定的不均勻性，這正是該結構不規則的復雜結構布置所引起，在制定施工方案時應當重點考慮結構不規則所造成的施工變形特殊性。

圖2 結構模態

結構各階模態所對應的自振頻率如表1所示。由表1可見結構整體性較好且剛度較大，這一特點將有利于抵御預應力張拉施工過程中所引起的結構變形。

表1 結構各階自振頻率

3 施工過程模擬分析

大型建筑結構由于其施工工藝繁多，結構構造復雜，施工過程中大都存在相對較高的安全風險。除了制定科學合理的施工方案外，準確可靠的施工變形監測技術將最大限度化解施工風險。然而，對于某些結構復雜的特定工程，以往的工程經驗難以完全適用，就需要特殊問題特殊應對。在制定施工方案前，采用數值模擬方法對施工過程進行模擬分析，將有助于施工方案制定與優化。通過對本工程進行基于施工力學的預應力張拉過程模擬，得到圖3、圖4所示的“逆向張拉”與“順向張拉”過程結構整體變形情況。

圖3 逆向張拉過程結構整體變形圖

由圖可見，兩種施工方案結束后，結構最終變形趨勢基本一致，結構最大變形量均出現在二層大開間部位，在制定施工方案時應當對該部位予以重點監測。兩種方案所引起的結構變形量值存在一定差異，其中，“逆向張拉”方案所引起的60mm最大變形量，“順向張拉”方案所引起的結構最大變形量為72mm，增幅20%。由此可見，本工程采用“逆向張拉”方案更加有利于控制結構變形。

從圖3和圖4可以看出，采用自上而下的“逆向張拉”方案時，第五層到第三層出現了相同的變形趨勢，但變形量均未超過20mm。與之相比，采用自下而上的“順向張拉”方案時，結構最大變形位于第二層，在施工過程中出現得相對較早，幾乎伴隨整個施工過程；由于該部位是結構變形量最大且需要重點關注的區域，這就導致施工過程中需要進行專門監測，從而造成成本增長。

圖4 順向張拉過程結構整體變形圖

4 結束語

為了研究某大跨度預應力混凝土框架結構施工變形特征，采用數值仿真方法對結構進行模態分析和施工過程變形模擬。通過結構模態分析，檢驗了結構的整體性與剛度的均勻性。施工過程模擬揭示了“順向張拉”與“逆向張拉”過程中結構不同的施工變形模式，同時確定了結構最大變形區域及最大變形量，為施工方案的制定與優化，以及施工變形監測提供了參考依據。