預應力混凝土折梁在坡面屋頂施工中的應用研究

呂斐

（山西三建集團有限公司，山西長治 046000）

0 引言

構成坡面屋頂的結構除折板外還包括斜墻、折梁等，在具體施工期間，應根據實際案例概況確定坡面屋頂預應力混凝土折梁構造，合理選擇折梁材料，精細化確定折梁結構參數，以此方可保障折梁結構與工程建筑坡面屋頂結構的協調性。對于坡面屋頂而言，折梁結構起到支撐效果，若折梁施工不當，則會大幅降低建筑屋頂結構穩定性，因此，圍繞預應力混凝土折梁展開研究具有較強現實意義。

1 工程概況

為增強本次坡面屋頂預應力混凝土折梁施工以研究的針對性，選取某體育館工程項目為實例進行具體研究分析。該體育館為框架結構，地上一層，屋頂為雙坡式坡屋面，以50 年為設計使用年限，當地為八度抗震防烈度，施工期間以此為標準設計體育館坡面屋頂防震參數，設計地震分組為第三組、特征周期為0.45s、設計地震加速度為0.2g、框架抗震等級為一級。體育館建筑長向尺寸與短向尺寸分別為45.9m、32.4m，為保障體育館屋頂所構成的空間結構能夠符合標準，并滿足體育館屋頂結構變形與裂縫要求，選用預應力混凝土折梁作為該體育館坡面屋頂的主要結構之一，按照案例體育館建筑建設情況來看，其預應力混凝土折梁跨度最終為32.4m。

2 基于工程實例的坡面屋頂預應力混凝土折梁結構設計

2.1 材料選擇

案例體育館建筑工程項目以21.99mm 直徑的鋼絞線為預應力筋，重量共計2.95kg/m，抗拉強度標準值、預應力筋抗拉強度設計值分別為1860MPa、1320MPa，單束截面面積與彈性模量分別為313mm、195GPa，預應力筋采用一端張拉方式，其中張拉端、固定端分別采用夾片錨、擠壓錨，除此之外，體育館建筑坡面屋頂預應力筋的張拉控制力應為抗拉強度標準值的3/4，即1395MPa，所采用的混凝土材料以C40 為強度等級，混凝土抗拉強度、混凝土軸心抗壓強度設計值、混凝土受壓彈性模量分別為1.7N/mm2、19.1N/mm2、3.25×104N/mm2，而對于非預應力普通鋼筋，則選用HRB400等級的鋼筋材料，其鋼筋抗拉強度設計值、鋼筋彈性模量分別為360N/mm2、2×105N/mm2。

2.2 截面估算

在案例體育館建筑坡面屋頂結構中，以矩形截面為梁截面，以32.4m 為體育館坡面屋頂預應力混凝土折梁跨度，該跨度參數較大，且存在較重屋面荷載，因此，為保障結構穩定性與安全性，基于實踐經驗與行業規范，將跨高比、梁截面高度分別設計為1/20、1.7m，結合體育館建筑坡面屋頂結構折截面高寬比而綜合考慮張拉要求及預應力筋布置情況，最終將折梁截面寬度設計為40cm。

2.3 計算內力

為精準了解案例體育館建筑坡面屋頂折梁結構整體內力分布情況而引入了PKPM 建筑工程軟件，借助該軟件展開結構內力分析，所得預應力混凝土折梁的內力參數如表1 所示。

表1 預應力混凝土折梁的內力參數

2.4 方案比選

2.4.1 配筋方案

案例體育館建筑坡面屋頂結構設計期間，為最大限度提高坡面屋頂折梁結構設計與施工效果，共設計兩種混凝土折梁配筋方案。方案1 僅配置普通鋼筋，并未應用預應力鋼筋，在小跨度梁場景中更為適用。方案2是指在配置普通鋼筋基礎上加設預應力鋼筋，該方案成本高于方案1，但在大跨度梁場景能夠發揮出更好效果。為保障該體育館建筑坡面屋頂折梁結構施工質量，對兩個方案進行對比選擇，從多個角度展開方案比選分析，對普通鋼筋、預應力筋精細化配置，機構方案比選后最終選用方案2，于體育館建筑坡面屋頂混凝土折梁結構中增設預應力筋，共計8 根。在后續施工期間，則以受力結構為依據合理擺放施工錨具，精準配置預應力筋，以此保障預應力混凝土折梁結構設計與施工科學性，提升體育館坡面屋頂結構穩定性與安全性[1]。

2.4.2 驗算裂縫

案例體育館建筑坡面屋頂結構折梁跨度較大，為32.4m，為保障折梁結構配置效果，對兩種配筋方案進行對比選擇，在對比期間，將跨中折算配筋率、支座折算配筋率分別設計為2.5%、2.0%，對折梁所產生的縫隙寬度進行對比，經驗算對比發現，方案1 與方案2 所形成的折梁裂縫寬度分別為0.39mm、0.089mm。案例體育館工程項目按三級裂縫等級進行控制，要求折梁結果的裂縫寬度最大值不可超過0.1mm，但結合上述裂縫驗算結果發現，僅配置普通鋼筋的方案1 所產生的裂縫寬度偏大，為0.39mm，已超過體育館工程項目施工標準，不符合要求。而方案2 不僅應用了普通鋼筋，還引入了預應力鋼筋，在兩種鋼筋的協同作用下，最終所形成的折梁結構裂縫寬度較小，僅為0.089mm，低于0.1mm 的裂縫寬度限值，符合要求，因此，從裂縫角度來看，方案2 優于方案1。

2.4.3 變形驗算

將跨中折算配筋率、支座折算配筋率分別設計為2.5%、2.0%，對方案1 與方案2 所形成的最大變形值進行對比分析。經驗算后發現，僅配置普通鋼筋的方案1、方案2 所產生的變形最大值分別為175mm、152mm。結合該變形驗算結果不難看出，兩種方案在體育館坡面屋頂結構中不可避免地會出現變形情況，但兩種方案所出現的變形程度存在差異，方案1 的最大變形值明顯高于方案2，因此，從變形程度來看，方案2 更為適用。

2.4.4 承載驗算

對案例體育館建筑坡面屋頂結構的折梁跨中折算配筋率、支座折算配筋率進行控制，分別將其控制為2.5%、2.0%。在此基礎上，運用折梁抵抗彎矩（Mu）與折梁極限組合彎矩（M）之間的比值而對比分析兩種方案的抗彎承載力。將折梁抵抗彎矩（Mu）與折梁極限組合彎矩（M）之間的比值記為“Mu/M”，對方案1 與方案2的折梁結構Mu/M 值進行對比驗算。發現在方案1 狀態下，折梁的左支座、右支座、跨中位置的Mu/M 值分別為0.9、0.9、1.13；在方案2 狀態下，折梁的左支座Mu/M 值為1.22，右支座的Mu/M 值為1.22，跨中位置的Mu/M值為1.09。結合上述承載力驗算結果可見，若選用方案1，則體育館建筑坡面屋頂折梁支座去位置的Mu/M 值低于1，這就意味著抵抗彎矩低于彎矩值，該折梁結構存在安全隱患。而選用方案2 同時應用預應力鋼筋與普通鋼筋時，此時無論是跨中還是支座結構，其Mu/M值均符合要求，即大于1，抵抗彎矩大于彎矩值，意味著體育館坡面屋頂折梁結構安全穩定[2]。

經綜合對比后不難看出，預應力鋼筋配置后能夠大幅提升坡面屋頂折梁結構承載性能，除此之外，若選用方案1，為保障折梁結構質量，需提升普通鋼筋配筋率，但鋼筋配筋率過高不利于實際施工，導致鋼筋間距過小。而按照相等要求進行方案2 施工時，則所配置的鋼筋排數較小，不僅可表現出優異的承載性能，還不會對鋼筋間距產生負面影響，因此，通過綜合選擇，選用方案2 進行體育館坡面屋頂折梁施工。

3 坡面屋頂預應力混凝土折梁施工技術應用

經方案比選與科學設計后，案例體育館建筑工程項目決定采用預應力混凝土折梁結構坡面屋頂進行施工。以下從多個角度分析坡面屋頂預應力混凝土折梁施工技術的具體應用情況。

3.1 前期施工準備

為保障預應力混凝土折梁在坡面屋頂施工技術應用效果，在正式施工之前，應做好前期施工準備工作。

（1）技術交底。以預應力混凝土折梁結構設計方案及施工計劃為依據組織技術交底會議，對折梁施工技術重難點加以強調，使施工人員加強對預應力混凝土折梁施工技術的重視，繼而起到提高施工質量的效果。依照技術專業的不同，做好各崗位的崗前培訓工作，保證現場施工人員能夠對重難點施工對策應知盡知。

（2）機械核查。于施工之前注意檢查材料設備配備情況。在預應力混凝土折梁施工期間，需運用大型吊裝設備進行安裝，為避免出現安全事故，需于施工之前全面檢查機械設備綜合性能，并增設試運行環節，用于檢驗機械設備運行效果，確定機械設備無運行隱患后方可將其投入至實際施工中。

（3）安全教育。相較于其他分項工程，折梁施工復雜程度較高，安全系數較大，在安全生產基本國策指導下，案例工程項目在坡面屋頂施工之前組織了安全教育工作，不僅強調預應力混凝土折梁施工技術安全要點，還總結類似工程的安全事故案例，起到警醒作用，并帶領施工人員全面檢查安全帽等安全防護設備，將安全理念全面滲透到實際施工中。

3.2 材料強度檢測

在坡面屋頂預應力混凝土折梁施工之前，注意檢查混凝土材料及結構強度，要求混凝土材料不可摻加含有氯離子的不合規材料，以免氯離子對預應力鋼筋起到腐蝕效果，此時則需于折梁施工前運用實驗室法（電位法、硝酸銀噴涂法、化學滴定法等）檢驗混凝土材料氯離子含量，從材料質量角度保障預應力混凝土結構質量。在此基礎上檢查鋼筋外觀，運用萬能試驗機檢驗鋼筋材料的抗拉強度，借助標準秤檢驗鋼筋單位重量，注意控制重量負差。

3.3 預應力鋼筋安裝

按照施工要求搭設預應力張拉平臺，為后續預應力筋張拉奠定基礎。

（1）對預應力鋼筋進行切斷處理時，結合現場情況進行物理切割，靈活運用砂輪鋸等工具設備。

（2）在具體預應力筋施工期間受到抗扭鋼筋、箍筋、梁體主筋等干擾可能出現預應力管道設置偏差問題，因此，施工過程中需注意控制次梁預應力筋點位，結合鋼筋結構主次及結構具體情況適當微調短跨方向，用于提升預應力筋長跨方向精準性。

（3）對坡面屋頂折梁結構預應力筋進行張拉施工時，注意驗算應力參數，綜合考慮多種要素而精準確定張拉預應力筋應力，以此確保預應力筋張拉符合施工要求。

（4）為最大限度保障預應力筋張拉質量，應于施工期深化設計，從次梁開始逐步張拉，循環張拉完畢后整體性檢查預應力筋張拉效果，若發現缺陷及時調整，完成次梁張拉后展開主梁張拉，通過一次性張拉施工而保障最終折梁施工質量，在張拉平臺作用下而實現安全施工[3]。

3.4 張拉灌漿施工

按照施工規范完成體育館坡面屋頂混凝土折梁預應力筋張拉作業后，以2d 為間隔進行預應力筋孔道灌漿作業，要求預應力筋孔道灌漿施工期間保持勻速狀態，對注漿壓力精細化控制，且要求一次注漿完成，非必要情況不可中斷注漿作業。若出現孔道溢漿現象，需注意觀察濃漿狀態，待溢漿穩定后則可停止注漿。預應力筋孔道灌漿漿液采用硅酸鹽水泥，等級不可低于P.O 42.5，并于施工期間注意控制水泥漿配合比，將水灰比參數控制在0.4～0.45，完成灌漿作業后計算28d 強度，確認強度符合標準后則可進入下一道工序。經灌漿養護后預應力混凝土折梁結構強度已符合要求，此時需借助物理切割方式進行預應力筋處理，不可電弧切割而引發淬火現象，將多余預應力筋切除處理，要求外露鋼筋低于3cm，隨后進行封錨即可[4]。除此之外，案例體育館坡面屋頂折梁施工采用C40 強度等級的混凝土材料，將錨具封閉埋設至混凝土結構中后落實養護措施，用于確保混凝土結構強度達標。根據預應力混凝土折梁結果特征設定質量檢查點位，對整個預應力混凝土折梁結構強度進行檢測，并組織回彈檢測作業，最大限度保障混凝土結構質量，提升坡面屋頂結構整體施工效果。

由上述內容可知，坡面屋頂預應力混凝土折梁技術各工序之間具有環環相扣的特點，因此在對技術工藝質量進行管控時，還建立了嚴格的“三檢”制度。“一檢”：由該工序施工人員對工序質量進行自查自糾；“二檢”：主要負責人員進行抽查，并如實記錄工況質量；“三檢”：引入第三方檢測機構，提供相應的技術指導，并對工序質量進行評定。待工序完成檢測合格以后，方可進入下一工序之中。同時，在施工時嚴格落實了崗位責任制，考核指標與崗前培訓內容相輔相成，當出現問題以后加大對問題主體的追責，以便全面把控施工技術質量，減少施工風險的出現[5]。

4 結語

綜上所述，案例體育館坡面屋頂施工期間，共設計了兩種折梁方案，方案1 僅配置普通鋼筋，而方案2 則在配置普通鋼筋基礎上加設預應力鋼筋，由此形成預應力混凝土折梁結構，經綜合對比后選用預應力混凝土折梁結構展開施工。在具體施工期間，從技術交底、機械核查、安全教育3 個方面做好前期施工準備工作，對關鍵性材料（混凝土、鋼筋材料）強度進行檢查，安裝與配置預應力鋼筋，展開張拉灌漿施工作業，落實質量控制措施，以此保障坡面屋頂預應力混凝土折梁的施工質量。