預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大難度工程中的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大難度工程中的應(yīng)用

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)和材料的發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)和功能的要求越來(lái)越高。復(fù)雜體形的多層大跨和超長(zhǎng)無(wú)縫整體結(jié)構(gòu)體系,對(duì)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)都提出了新的要求。同時(shí)實(shí)際工程中又往往受到國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)方面的限制,如伸縮縫的設(shè)置和抗震要求等問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究,提出了預(yù)應(yīng)力、裂縫控制的設(shè)計(jì)與施工的一些技術(shù)措施,并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。1網(wǎng)格化框架設(shè)計(jì)某車站主結(jié)構(gòu)為二層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),平面柱網(wǎng)為扇形,建筑造型富有曲線美。一樓作為主要的候車室,除了要求具有敞開式空間外,還必須具有擋風(fēng)遮雨的功能。設(shè)計(jì)的方案是二層框架梁兩側(cè)都外挑。為了使立面上不呆板,立面一側(cè)的外挑跨度分兩種。圖1為一層柱網(wǎng)平面布置圖。柱距為8m,框架主跨跨度為15m,外挑跨度分別為3.6m和4m(部分6.6m)。外挑梁端頭用圍梁連接。2預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉和自彎如何進(jìn)行受力合理、安全、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)功能和節(jié)約造價(jià),加快施工總進(jìn)度。通過(guò)分析比較,采用大跨度有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)除了常規(guī)計(jì)算參數(shù)外,還特別考慮了以下幾點(diǎn):(1)活荷載/恒荷載比值大小,采用荷載預(yù)應(yīng)力度概念和方法。其值按表1選用。(2)施工和使用時(shí)反拱值限值,尤其是懸挑端。嚴(yán)格控制外挑端頭張拉時(shí)反拱量。如太小,說(shuō)明所加有效預(yù)應(yīng)力不足;如太大,會(huì)導(dǎo)致圍梁和板的開裂。(3)后澆帶留設(shè)。原設(shè)想在張拉時(shí)要求圍梁與挑梁連接處斷開后澆,待張拉完畢和挑梁的變形穩(wěn)定后再補(bǔ)澆混凝土,但這不但會(huì)給土建施工帶來(lái)很大困難,而且縱向剛度會(huì)大大減弱。因此,選擇整體澆搗,但張拉時(shí)要求控制好變形。(4)為使施工方便和受力性能不受影響,預(yù)應(yīng)力索在整梁范圍內(nèi)拉通。由于在不同控制截面處彎矩不同,需通過(guò)改變索的曲率和有效高度來(lái)保證它們的合理性。(5)挑梁為變截面,在端頭處斷面最小,而此處恰是張拉部位,受力最大,其局壓強(qiáng)度必須保證。經(jīng)驗(yàn)算,此局部局壓強(qiáng)度不足,故在梁寬方向兩側(cè)加腋。(6)由內(nèi)力分析可知,各懸挑梁存在大小不等的扭矩,但可以通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)目古す拷畹挚?。張拉時(shí)的不對(duì)稱預(yù)壓應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩,故采取的方法一是對(duì)角張拉,二是分二次張拉完成,每次按50%設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力進(jìn)行。(7)整個(gè)框架體系的預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中各桿件之間的相互影響必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。主跨大梁斷面為400mm×1000mm,配有4束6ue001φj15(曲線索)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。挑梁部分分直線索和曲線索。圖2為二種典型預(yù)應(yīng)力框架預(yù)應(yīng)力及非預(yù)應(yīng)力的配筋施工圖。預(yù)應(yīng)力筋為高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa,錨具采用國(guó)家I類夾片式自錨體系,大梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)為0.7fptk(1302MPa),但施工時(shí)根據(jù)測(cè)試結(jié)果,用0.67fptk已經(jīng)足夠。采用兩端張拉的方法,為了使相鄰預(yù)應(yīng)力梁變形間的影響減小到最低,要求跳張拉。對(duì)部分梁進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和控制。工程預(yù)應(yīng)力梁及柱的配筋設(shè)計(jì),先采用TBSA內(nèi)力計(jì)算,然后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的計(jì)算、布設(shè)和配置。計(jì)算中大跨挑梁是個(gè)難點(diǎn)。大跨度懸挑梁,在梁高又很有限的基礎(chǔ)上,除了抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度外還要考慮豎向剛度,以控制振動(dòng)變形(即變形問(wèn)題)。在求出荷載和內(nèi)力后的第一步是確定λp(該工程取0.75),λp的物理意義是指預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中所施加預(yù)應(yīng)力大小的程度,它直接影響結(jié)構(gòu)在使用荷載下受拉區(qū)截面的應(yīng)力狀態(tài),簡(jiǎn)稱為預(yù)應(yīng)力索承擔(dān)的荷載占總荷載的比值,也稱“荷載預(yù)應(yīng)力度”。對(duì)受彎構(gòu)件,λp=M0/M;如果截面不開裂,則M0(消壓彎矩)=σpcW0,其中W0為換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩,M為荷載的短期效應(yīng)組合下控制截面的彎矩,M=σscW0;最后得λp=σpc/σsc(退化為“應(yīng)力預(yù)應(yīng)力度”)。Ap和As均按文獻(xiàn)方法計(jì)算。預(yù)應(yīng)力梁箍筋的配置按抗剪要求和最小構(gòu)造確定。對(duì)扭矩較大部位,必須加設(shè)抗扭箍筋。按平衡恒載概念或索梁分載法概念,預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反向平衡荷載,已經(jīng)將一部分外荷載直接傳遞給板、柱結(jié)構(gòu)體系中的索結(jié)構(gòu)上,故只有未平衡的外荷載由預(yù)應(yīng)力梁截面承擔(dān)。預(yù)應(yīng)力梁的抗剪強(qiáng)度可按混凝土規(guī)范計(jì)算公式:V=Vcs+Vs+Vp+0.07N,(1)式(1)中,Vcs——構(gòu)件斜截面上混凝土和箍筋的受剪承載力設(shè)計(jì)值;Vs——同一彎起平面內(nèi)非預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋受剪承載力設(shè)計(jì)值;Vp——由預(yù)加力提高的構(gòu)件受剪承載力設(shè)計(jì)值;N——與剪力設(shè)計(jì)值V相對(duì)應(yīng)的軸向壓力設(shè)計(jì)值。現(xiàn)行正常使用極限狀態(tài)的截面校核計(jì)算方法是最費(fèi)時(shí)間的。如果通過(guò)截面尺寸,預(yù)應(yīng)力度選用適宜參數(shù)和構(gòu)造處理妥當(dāng),一般預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)可以不進(jìn)行開裂和撓度的復(fù)雜計(jì)算。廣義預(yù)應(yīng)力構(gòu)件開裂計(jì)算一般由3個(gè)階段分3部分組成,則W≤WP+Wct+Ws,(2)式(2)中,W為結(jié)構(gòu)總荷載,WP為預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)荷載,Wct為混凝土拉力承擔(dān)荷載,Ws為普通非預(yù)應(yīng)力鋼筋承擔(dān)荷載。(1)截面拉應(yīng)力出現(xiàn)。當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力值與外荷載達(dá)到平衡時(shí),就不出現(xiàn)拉應(yīng)力(Wp)。(2)截面開裂。主要是由于產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土抗拉能力(Wct)。(3)裂縫寬度的發(fā)展,主要是由普通非預(yù)應(yīng)力鋼筋的大小和表面形狀決定的。如果只控制裂縫寬度δ≤0.2mm(預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件),δ≤0.3mm(普通鋼筋混凝土構(gòu)件),則可參考表2數(shù)據(jù)(Ws)。當(dāng)板的厚度不大于200mm時(shí),配筋間距符合表2,按極限承載能力設(shè)計(jì)配筋,可以不必驗(yàn)算裂縫寬度的計(jì)算。由外加荷載引起的裂縫,控制條件為根據(jù)鋼筋應(yīng)力確定不需裂縫寬度計(jì)算的最大直徑及間距,見表2。3預(yù)應(yīng)力梁混凝土養(yǎng)護(hù)預(yù)應(yīng)力施工是一項(xiàng)特殊的技術(shù)工作,必須由具有相應(yīng)施工資質(zhì)和豐富的施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的單位來(lái)?yè)?dān)任此項(xiàng)任務(wù)。施工時(shí)除了理解領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)意圖外,在遵守預(yù)應(yīng)力混凝土施工規(guī)范基礎(chǔ)上,著重控制以下幾點(diǎn):(1)在張拉前,混凝土強(qiáng)度原則上須達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%,而且混凝土齡期達(dá)28d?；炷猎噳K與預(yù)應(yīng)力梁混凝土在同等條件下養(yǎng)護(hù)。(2)預(yù)應(yīng)力束埋設(shè)位置要準(zhǔn)確,金屬波紋管與箍筋固定牢固,端部錨板和喇叭鐵要放準(zhǔn)、放平。(3)澆注混凝土?xí)r嚴(yán)禁將波紋管打破、壓扁,以免漏漿而阻塞孔道。(4)預(yù)應(yīng)力材料質(zhì)量要好,作好抽檢,合格后方可用于工程中。(5)先試張拉,實(shí)現(xiàn)以下因素多控:伸長(zhǎng)值,油壓表和測(cè)試結(jié)果如反拱度、應(yīng)變、有效錨固力等。待各設(shè)計(jì)參數(shù)確定后按最后確定的張拉方案張拉。(6)嚴(yán)格按圖進(jìn)行施工,并據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果作相應(yīng)微調(diào),做到信息化施工。(7)及時(shí)灌漿,稠度適當(dāng),密實(shí)度要好。一次灌滿后要進(jìn)行二次補(bǔ)漿。(8)每次施工時(shí)要求甲方、設(shè)計(jì)、總包、監(jiān)理和監(jiān)測(cè)單位的技術(shù)人員到場(chǎng)。4監(jiān)測(cè)目的和內(nèi)容4.1梁外挑、上翻梁受力由于預(yù)應(yīng)力筋施加給梁的有效預(yù)應(yīng)力值受到多種不確定因素的影響,如內(nèi)部、外部、人為或偶然等因素,該工程預(yù)應(yīng)力梁承受的荷載和跨度均較大,部分大梁外挑4m和6.6m,而且為上翻梁,受荷面積大,受力復(fù)雜。除此之外,按《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及設(shè)計(jì)要求,張拉預(yù)應(yīng)力筋時(shí)所采用的張拉控制應(yīng)力及錨固有效應(yīng)力等要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證和確定,并控制梁的反拱度,以指導(dǎo)施工,校驗(yàn)設(shè)計(jì),確定施工參數(shù),保證工程的順利進(jìn)行,達(dá)到安全、適用和耐久的設(shè)計(jì)要求。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力張拉全過(guò)程的測(cè)試及監(jiān)控,目的是為了校核設(shè)計(jì)時(shí)所采用的技術(shù)參數(shù)。4.2預(yù)應(yīng)力的穩(wěn)定性針對(duì)工程特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求和國(guó)家有關(guān)的規(guī)范(規(guī)程)要求,進(jìn)行以下幾方面的試驗(yàn)和測(cè)試。選取具有典型意義的2根預(yù)應(yīng)力大梁作為主要測(cè)試和試張拉的對(duì)象,它們分別是:YKL1-1(選在1-3軸)和YKL1-2(選在1-15軸)。在測(cè)試的每根梁中對(duì)角選取兩孔道作為設(shè)計(jì)參數(shù)的測(cè)試對(duì)象。每測(cè)試孔布置一只永久壓力傳感器,共用4只測(cè)力傳感器測(cè)量。具體測(cè)試如下:(1)與張拉千斤頂?shù)挠蛪罕碜x數(shù)同時(shí)控制張拉預(yù)應(yīng)力值,校核讀數(shù),保證在允許精度的范圍內(nèi)(兩者間誤差應(yīng)控制在±5%以內(nèi))。(2)測(cè)量預(yù)應(yīng)力筋張拉伸長(zhǎng)值。實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值與計(jì)算值相差應(yīng)在-5%～+10%以內(nèi);否則,應(yīng)暫停張拉,待查明原因并采取措施予以調(diào)整后方可繼續(xù)張拉。(3)通過(guò)壓力傳感器測(cè)讀錨下有效預(yù)應(yīng)力及孔道摩阻總損失值,并進(jìn)行有效預(yù)應(yīng)力的時(shí)效觀察。在灌漿前各測(cè)試指標(biāo)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求;另外,錨下有效預(yù)應(yīng)力及其穩(wěn)定性的要求為:錨固后預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際預(yù)應(yīng)力值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)允許偏差為±5%,否則查明原因并作技術(shù)處理后方可進(jìn)行灌漿及封錨。(4)測(cè)試跨中及長(zhǎng)懸挑梁根部截面在施工階段的反拱和變形,以控制該截面混凝土開裂及壓應(yīng)力過(guò)大。按設(shè)計(jì)要求及理論分析計(jì)算,控制在合適的范圍內(nèi);需隨時(shí)控制張拉施工方法,防止上拱太大而拉裂,嚴(yán)格按檢測(cè)結(jié)果控制施工進(jìn)程,必要時(shí)作相應(yīng)調(diào)整(如調(diào)整張拉應(yīng)力大小或分批張拉等方法);如有超越,則另需測(cè)量應(yīng)變,共同控制梁的變形。(5)測(cè)量跨中控制截面的混凝土應(yīng)變(應(yīng)力)。嚴(yán)格控制拉、壓應(yīng)變限值,將實(shí)測(cè)值隨時(shí)驗(yàn)算,謹(jǐn)防拉裂或局部受壓應(yīng)力過(guò)大,并應(yīng)與計(jì)算分析值基本相符。(6)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)張拉及測(cè)試反應(yīng)情況,作必要的其它補(bǔ)充監(jiān)測(cè):柱端、梁端、樓屋面、跨中和懸挑梁根部截面有無(wú)裂縫及其它異常情況。將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和計(jì)算,得到如下結(jié)論:(1)通過(guò)對(duì)有效錨固力、反拱等的測(cè)試,以及對(duì)整個(gè)張拉過(guò)程的控制和調(diào)整,使設(shè)計(jì)和施工達(dá)到統(tǒng)一,這樣保證了所施加的預(yù)應(yīng)力效果,同時(shí)又保證了施工質(zhì)量。對(duì)跨度和荷載大、結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜的建筑,這種控制和監(jiān)測(cè)更顯有效和必要。(2)根據(jù)測(cè)試結(jié)果,規(guī)定張拉控制應(yīng)力為0.67fptk,而且不需超張拉。(3)張拉時(shí)油壓表讀數(shù)所反映的力與實(shí)際力誤差在±5%范圍內(nèi)。(4)3軸YKL1-1和15軸YKL1-2梁的最后有效錨固力為840kN(上),830kN(下)及778kN(上),772kN(下),與剛張拉完畢時(shí)的856kN(上),842kN(下)及788kN(上),781kN(下)相比,均滿足相對(duì)允許偏差為±5%的要求?？椎厘^下力的穩(wěn)定性較好,錨固體系可靠、安全。(5)跨中相對(duì)摩阻均在計(jì)算取用的20%以內(nèi),滿足要求,且沒(méi)有孔道堵塞現(xiàn)象。(6)同一根梁的不同孔道的后批張拉對(duì)前批張拉的影響及同一層中相鄰預(yù)應(yīng)力梁的張拉的影響很有限,可忽略不計(jì),故采用的張拉方法不需修改。各梁在各跨均有不同程度的反拱,說(shuō)明已建立了足夠的預(yù)應(yīng)力。3軸YKL1-1懸挑端總反拱量為+2.83mm,跨中總反拱量為+6.06mm;15軸YKL1-2總反拱量為+0.85mm,跨中總反拱量為+8.17mm。(7)最大反拱量控制在計(jì)算范圍內(nèi),但對(duì)YKL1-2應(yīng)嚴(yán)格控制張拉力。經(jīng)分析計(jì)算及設(shè)計(jì)時(shí)的取值,控制截面的有效預(yù)壓應(yīng)力可達(dá)到設(shè)計(jì)要求值,不會(huì)引起上邊緣開裂,也不會(huì)引起下邊緣壓裂。經(jīng)觀察,柱端、梁端、樓屋面、跨中和懸挑梁根部截面無(wú)裂縫及其它異常情況。5預(yù)應(yīng)力的調(diào)控工作是張拉和施工的動(dòng)力(1)合理運(yùn)用鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力技術(shù),并結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)監(jiān)測(cè)手段,可以解決許多大難度工程問(wèn)題。通過(guò)合理調(diào)整預(yù)應(yīng)力索的位置和曲度,按設(shè)計(jì)者的意圖,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);而且預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性、可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性非常優(yōu)越,值得大量推廣,它同時(shí)可以使超長(zhǎng)不設(shè)縫結(jié)構(gòu)成為現(xiàn)實(shí)。預(yù)應(yīng)力對(duì)消除混凝土收縮溫度裂縫、提高整體剛度,效果明顯,技術(shù)成熟、可靠。(2)預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì),要進(jìn)行整體受力分析計(jì)算和設(shè)計(jì),不能光作局部桿件計(jì)算分