房建工程預(yù)應(yīng)力混凝土屋面梁施工技術(shù)

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(tuán)有限公司, 四川成都 610023)

在房建工程施工中，預(yù)應(yīng)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(duì)大跨度屋面梁提前施加預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)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(xué)校、醫(yī)院等)有大空間需求的建筑物中廣泛使用。

預(yù)應(yīng)力混凝土屋面梁旨在解決結(jié)構(gòu)空間大、跨度大的建筑物梁體過大的情況。在國外發(fā)展迅速，在歐洲、日本及我國港澳地區(qū)、內(nèi)陸沿海地區(qū)都得到了廣泛的應(yīng)用，歷經(jīng)幾十年的不斷發(fā)展,預(yù)應(yīng)力技術(shù)已經(jīng)比較成熟穩(wěn)定。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗震性好,很多公共建筑設(shè)計(jì)要求都是8度設(shè)防，預(yù)應(yīng)力梁在增加學(xué)校、醫(yī)院類大空間公共建筑的梁體跨度方面具有優(yōu)越性。同時(shí)類比普通混凝土梁，預(yù)應(yīng)力梁的承載力、強(qiáng)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(yīng)用預(yù)應(yīng)力，施工質(zhì)量控制較難，技術(shù)性要求較大,施工時(shí)對(duì)HBPE波紋管預(yù)留、混凝土澆筑振搗、預(yù)應(yīng)力筋張拉及孔道壓漿及封錨等都要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把控。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土屋面梁的特點(diǎn)

某學(xué)校圓形報(bào)告廳預(yù)應(yīng)力梁施工概況：本案例項(xiàng)目為一所職業(yè)中學(xué)2#樓，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓形多媒體報(bào)告廳，報(bào)告廳由鋼結(jié)構(gòu)舞臺(tái)、混凝土樓梯及夾層、屋面馬道等組成。結(jié)構(gòu)直徑為35.4 m，建筑層高為16 m，內(nèi)部無受力結(jié)構(gòu)柱，僅由邊柱與預(yù)應(yīng)力梁形成框架受力體系，支撐該大空間圓形結(jié)構(gòu)。本工程屋面梁設(shè)計(jì)為緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋直徑采用標(biāo)準(zhǔn)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(yù)應(yīng)力梁縱橫交叉設(shè)置，預(yù)應(yīng)力管道分布錯(cuò)位比較困難；張拉長(zhǎng)度達(dá)到35.4 m，所以管道預(yù)留安裝、預(yù)應(yīng)力筋穿束、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力筋張拉技術(shù)、以及質(zhì)量控制都是本次施工控制的重難點(diǎn)(圖1)。

預(yù)應(yīng)力屋面梁：

(1)剛度較普通鋼筋混凝土梁大、承載力強(qiáng)、抗裂性能好。承載力計(jì)算：

軸向拉力設(shè)計(jì)值N=528.000

梁體正截面抗裂驗(yàn)算：裂縫寬度為0.000 mm，滿足小于0.100 mm裂縫寬度驗(yàn)算要求。在荷載準(zhǔn)永久組合下，受拉邊緣應(yīng)力σcq-σpc=-1.92≤ftk=2.39 N/mm2，構(gòu)件受拉邊緣應(yīng)力滿足要求。

(2)耐疲勞性能強(qiáng)：因?yàn)槲菝媪壕哂蓄A(yù)應(yīng)力筋，在使用階段受荷載引起的應(yīng)力變化幅度相對(duì)較小，故此可以提高屋面梁的抗疲勞強(qiáng)度。

(3)穩(wěn)定性：對(duì)梁體提前施加了預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(4)節(jié)材環(huán)保：預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)鋼絞線，由于提前施加預(yù)應(yīng)力相對(duì)普通梁體優(yōu)勢(shì)較多，可以相對(duì)減少鋼筋用量和梁體結(jié)構(gòu)尺寸，節(jié)省鋼材和混凝土，降低結(jié)構(gòu)自重，對(duì)大跨度和重荷載結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)越性，尤其適用于大跨度屋面梁。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土屋面梁施工

施工工藝流程見圖2。

2.1 施工準(zhǔn)備

(1)預(yù)應(yīng)力梁施工前，應(yīng)對(duì)QM15-n錨具、HDPE波紋管、錨板、夾片、注漿管、溢漿管、連接器進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，查看合格證及相應(yīng)復(fù)試報(bào)告；千斤頂及配套油泵等必須經(jīng)過檢測(cè)檢驗(yàn)，合格后方可使用，且每張拉200次或間隔6個(gè)月必須重新進(jìn)行校定。

(2)預(yù)應(yīng)力梁張拉平臺(tái)搭設(shè)必須符合要求，預(yù)應(yīng)力筋張拉前必須將預(yù)應(yīng)力梁混凝土養(yǎng)護(hù)到位，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2.2 鋼筋安裝及管道預(yù)埋

(1)鋼筋安裝時(shí)提前預(yù)留好預(yù)應(yīng)力筋穿管位置，按要求預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋穿管并用井字架固定牢固，防止?jié)仓炷習(xí)r發(fā)生擾動(dòng)，確保預(yù)應(yīng)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(yù)留有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋穿管為高密度聚乙烯樹脂塑料波紋管，強(qiáng)度及性能應(yīng)符合要求。張拉端與錨固端設(shè)置25 mm厚承壓板、C16螺旋筋、間隔50 mm設(shè)置鋼筋網(wǎng)片等加固措施，防止張拉時(shí)破壞梁端混凝土(圖4)。

圖4 錨固端及張拉端加固示意

(3)預(yù)應(yīng)力筋線型控制應(yīng)通過計(jì)算式y(tǒng)=yA/xA2·x2，按固定井字架間距提前標(biāo)定好xA、yA長(zhǎng)度，計(jì)算出線型控制點(diǎn)y的坐標(biāo)，從而方便在施工中控制預(yù)應(yīng)力梁C4線型(圖5)。

圖5 C4線型控制示意

2.3 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

(1)預(yù)應(yīng)力梁混凝土梁設(shè)計(jì)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(duì)鋼絞線有一定的腐蝕作用，因此澆筑前必須對(duì)商混站進(jìn)行技術(shù)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(hù)的混凝土為C40細(xì)石混凝土，封錨后養(yǎng)護(hù)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

表1 線型控制計(jì)算

(2)預(yù)應(yīng)力筋張拉之前，按照深化圖紙進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，現(xiàn)場(chǎng)必須進(jìn)行混凝土回彈檢測(cè)，保證混凝土強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的百分之百。

(3)端部受壓區(qū)截面尺寸驗(yàn)算:

局部受壓面上作用的局部壓力設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力筋安裝

(1)預(yù)應(yīng)力筋安裝時(shí)由于梁體主筋、箍筋、抗扭鋼筋的影響，可能造成預(yù)應(yīng)力管道預(yù)埋發(fā)生偏差，此時(shí)應(yīng)該優(yōu)先保證HDPE波紋管的定位。2個(gè)方向的次梁預(yù)應(yīng)力筋在跨中失高沖突時(shí)，應(yīng)分主次進(jìn)行微調(diào)，短跨方向可適當(dāng)調(diào)整，保證長(zhǎng)跨方向準(zhǔn)確度。

(2)灌漿孔和排氣孔布置需滿足相關(guān)規(guī)范要求，泌水管在梁側(cè)設(shè)置可兼做注漿管。

2.5 預(yù)應(yīng)力筋張拉

(1)預(yù)應(yīng)力筋張拉提前進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，2號(hào)樓圓形報(bào)告廳位置從梁側(cè)次梁開始，每根張拉一道，對(duì)稱循環(huán)張拉完畢。次梁張拉完畢后進(jìn)行主梁張拉，最終一次性張拉完成。張拉平臺(tái)應(yīng)在方案中明確做法，保證張拉安全。

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

(3)通過計(jì)算式ΔL=PpL/ApEp、Pp=P[1-e-(kx+μθ) ]/(kx+μθ)、Ap=Pe-(kx+μθ)，計(jì)算出預(yù)應(yīng)力筋的理論伸長(zhǎng)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(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際伸長(zhǎng)值不得超過理論伸長(zhǎng)值±6%范圍，若超出規(guī)范范圍則應(yīng)停止張拉，及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，找出影響預(yù)應(yīng)力筋張拉的因素，解決后方可繼續(xù)張拉。

(4)預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

張拉控制應(yīng)力:σcon=1395.00 N/mm2

張拉端錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失：σl1=0.00 N/mm2

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：σl2=87.06 N/mm2

預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛引起的應(yīng)力損失：σl4=48.83 N/mm2

由于混凝土的收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失：σl5=68.38 N/mm2

用螺旋式預(yù)應(yīng)力鋼筋的環(huán)形構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失：σl6=30.00 N/mm2

第一階段預(yù)應(yīng)力損失：σ1=87.06 N/mm2

第二階段預(yù)應(yīng)力損失：σ2=147.21 N/mm2

總預(yù)應(yīng)力損失：σl=σ1+σ2=234.26 N/mm2

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

圖6 縱橫交叉節(jié)點(diǎn)

圖7 預(yù)應(yīng)力筋縱橫交錯(cuò)布置示意

2.6 灌漿

(1)在張拉完成后2天內(nèi)一次完成預(yù)應(yīng)力筋孔道灌漿，注漿時(shí)應(yīng)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(wěn)定溢漿后方可停止。

(2)水泥等級(jí)：不小于P.O42.5級(jí)，水泥種類：硅酸鹽水泥；水泥漿制作時(shí)提前進(jìn)行配合比計(jì)算，水灰比應(yīng)嚴(yán)格控制，在0.4～0.45之間，28天后水泥漿預(yù)留試塊強(qiáng)度檢測(cè)應(yīng)不低于40 MPa。

2.7 封錨

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

(2)切除多余預(yù)應(yīng)力筋，外露筋長(zhǎng)度控制在3 cm以內(nèi)。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土屋面梁技術(shù)措施

(1)預(yù)留波紋管孔道位置必須定位準(zhǔn)確，按照深化圖紙要求，線型為C4線型，反彎點(diǎn)位置應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。每根管道沿長(zhǎng)度方向每隔500～1 000 mm設(shè)置井字形定位鋼筋，定位筋焊接在主筋上，管道偏差縱向應(yīng)不大于1 cm，橫向控制在0.5 cm 以內(nèi)。

(2)預(yù)應(yīng)力梁排氣孔應(yīng)設(shè)置在孔道最高位置，孔徑8～10 mm，灌漿孔宜設(shè)置在下方，孔徑25 mm。

(4)預(yù)應(yīng)力張拉順序：0→0.1δcom→0.5δcom(回油，釋放千斤頂)→1.0δcom，每級(jí)張拉均應(yīng)持荷180 s。

4 預(yù)應(yīng)力混凝土屋面梁質(zhì)量控制措施

(1)張拉前對(duì)屋面預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行強(qiáng)度回彈檢測(cè)，在監(jiān)理單位見證下按照回彈檢測(cè)要求，回彈檢測(cè)16點(diǎn)，去掉最高值、最低值各3點(diǎn)，剩余10點(diǎn)計(jì)算平均值，要求回彈檢測(cè)強(qiáng)度不低于C40。張拉主要以油泵讀數(shù)顯示計(jì)算應(yīng)力來控制。

(2)在施工過程中，振動(dòng)棒接觸預(yù)埋波紋管、工人操作不當(dāng)?shù)榷加锌赡茉斐刹y管破損，破損的波紋管澆筑混凝土?xí)r易造成混凝土流入管內(nèi)，凝固后鋼絞線無法張拉。處理方法應(yīng)通過導(dǎo)向球來回穿插，使管道內(nèi)混凝土破壞后排出管道。

(3)張拉過程中應(yīng)先給鋼絞線一個(gè)初應(yīng)力，使鋼絞線拉緊受力，然后再將油泵回油，調(diào)整油表歸零，這樣可以使實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)量更趨近于理論伸長(zhǎng)量。

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

5 總結(jié)

本屋面梁預(yù)應(yīng)力混凝土施工，提前進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，計(jì)算C4線型曲線控制，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)嚴(yán)格按照深化設(shè)計(jì)要求進(jìn)行波紋管預(yù)留、預(yù)應(yīng)力筋穿束、錨固端與張拉端加固、混凝土澆筑振搗、以及后續(xù)的張拉及封錨。最后安裝軸力計(jì)來檢測(cè)預(yù)應(yīng)力是否損失。

施工以技術(shù)先行、深化設(shè)計(jì)及方案作為施工依據(jù)，在各單位緊密配合及支持下，大跨度無柱預(yù)應(yīng)力混凝土屋面梁嚴(yán)格按照深化圖紙及設(shè)計(jì)要求順利張拉完成。