大面積復(fù)雜預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工技術(shù)

丁傳奇，趙 晨，王 凱

（北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100055）

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)以能夠有效抵抗大跨度和重荷載作用下產(chǎn)生的裂縫，提高結(jié)構(gòu)整體安全而在高層建筑的大跨度和承受重荷載區(qū)域應(yīng)用越來越普遍，其施工的質(zhì)量直接關(guān)系到高層建筑主體結(jié)構(gòu)安全［1］。通過分析預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工工藝過程，研究并應(yīng)用提升混凝土的施工質(zhì)量的技術(shù)措施，保證預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)的實體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，對提升主體結(jié)構(gòu)的整體安全性具有重要意義。

1 工程概況

中國人民大學(xué)教學(xué)科研樓等 4 項東南區(qū)綜合樓（教學(xué)科研樓）、集體宿舍樓（留學(xué)生宿舍樓）項目位于中國人民大學(xué)校園內(nèi)，建筑平面為 L 型布局，總建筑面積 102 590 m2（地下建筑面積 24 413 m2），建筑物最高點 80.7 m，地下 3 層相互貫通，其中教學(xué)科研樓地上 18 層（局部 13 層），集體宿舍樓地上 19 層（局部 15 層）。教學(xué)科研樓主體結(jié)構(gòu)為框架—核心筒結(jié)構(gòu)，集體宿舍樓主體結(jié)構(gòu)為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，其中主體結(jié)構(gòu)中存在大量的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和勁性鋼結(jié)構(gòu)，其中最具有代表性的是位于教學(xué)科研樓 -1 層的大面積復(fù)雜預(yù)應(yīng)力混凝土梁。

2 預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計情況及施工技術(shù)重難點

2.1 預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計情況

教學(xué)科研樓的 -1 層中，為承載地面上的大面積下凹式綠地面和市政道路，設(shè)計成大面積復(fù)雜預(yù)應(yīng)力混凝土梁區(qū)，如圖 1 所示（畫框區(qū)域）。梁區(qū)面積合計約 1 002 m2，混凝土強(qiáng)度等級 C40，包括 16 根凈跨度為 16.8 m 長的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，混凝土梁規(guī)格尺寸為 700 mm×1 300 mm。預(yù)應(yīng)力筋采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，穿 2 孔，每孔 7 根直徑 15.2 mm 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力筋孔道采用壁厚 0.3 mm 的內(nèi)徑 70 mm 的鍍鋅波紋管。

圖1 預(yù)應(yīng)力梁 BIM 效果圖

2.2 施工技術(shù)重難點

預(yù)應(yīng)力梁所在位置，決定施工過程中具有明顯的技術(shù)難點，主要包括以下各方面。

1）預(yù)應(yīng)力混凝土梁主要承載地面上的下凹式綠地種植土和部分市政道路。其中下凹式綠地為 2.02 m 高的覆土（局部 1.5 m），為重荷載集中區(qū)域；市政道路位置下預(yù)應(yīng)力梁頂至地面完成面高度 1 000 mm（450 mm 厚回填土和 550 mm 厚道路做法），承載車輛荷載對預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)的安全性提出更高的要求。

2）最高質(zhì)量目標(biāo)為“國家優(yōu)質(zhì)工程獎”。大面積的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，必須嚴(yán)格控制此區(qū)域內(nèi)混凝土梁的整體外觀質(zhì)量要求。保證混凝土梁柱節(jié)點清晰、內(nèi)堅外美，為創(chuàng)國家優(yōu)質(zhì)工程獎創(chuàng)造質(zhì)量亮點。

3）700 mm×1 300 mm 規(guī)格的預(yù)應(yīng)力混凝土梁高寬比1.8，高寬比很大且整體較深，上部受力主筋為 1 排 7 根32 規(guī)格的三級鋼；下部為 3 排 25 根 32 規(guī)格的三級鋼，自底部而上依次 10 根、10 根和 5 根排布，且有兩排預(yù)應(yīng)力孔道穿入梁體內(nèi)。鋼筋下部整體排布密集，振搗棒伸至底部困難且非自密實混凝土流動性較差，底部混凝土振搗不易密實。同時振搗棒強(qiáng)制伸至梁底部時，易損壞鍍鋅波紋管孔道而造成混凝土流入波紋管內(nèi)影響預(yù)應(yīng)力張拉的施工質(zhì)量。

4）大面積預(yù)應(yīng)力梁區(qū)域為超限梁集中區(qū)域，超限模板支撐體系的面積大且安全性要求極高，大體量預(yù)應(yīng)力梁混凝土澆筑時間長，必須嚴(yán)格控制模板安裝質(zhì)量和混凝土澆筑過程，確保此區(qū)域混凝土整體施工質(zhì)量。

3 施工技術(shù)應(yīng)用

3.1 施工工藝流程

預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工的主要工藝流程，如圖 2 所示。

圖2 施工工藝流程

3.2 預(yù)應(yīng)力梁鋼筋 BIM 三維深化和預(yù)制加工一體化技術(shù)

在 revit 軟件中以 CAD 原設(shè)計圖紙為底圖并依據(jù)現(xiàn)行圖集，實現(xiàn)鋼筋空間三維排布模型的構(gòu)建［2］，重點控制預(yù)應(yīng)力梁柱節(jié)點，鋼筋伸入支座的節(jié)點位置，鋼筋錨固和搭接方式和波紋管位置鋼筋空間排布以及振搗引導(dǎo)器的大小與鋼筋的相對合理位置。其中預(yù)應(yīng)力梁鋼筋 BIM 三維整體深化排布情況，如圖 3 所示。

圖3 預(yù)應(yīng)力梁區(qū)域鋼筋 BIM 三維深化

基于 BIM 技術(shù)的鋼筋三維深化和優(yōu)化排布，能夠三維可視化清晰展示鋼筋的三維空間排布位置關(guān)系，并導(dǎo)出鋼筋的明細(xì)清單，由 BIM 技術(shù)人員輔助指導(dǎo)作業(yè)人員進(jìn)行工廠精細(xì)化加工，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼筋三維深化設(shè)計和工廠加工一體化的精益建造管理模式［3］。

3.3 超限梁模板定位安裝技術(shù)

借助預(yù)應(yīng)力梁的 BIM 三維結(jié)構(gòu)模型，核查并校驗設(shè)計圖紙坐標(biāo)與高程系統(tǒng)，精準(zhǔn)獲取預(yù)應(yīng)力梁、框架柱、梁中心線及梁的兩側(cè)邊的關(guān)鍵點位的立體坐標(biāo)［4］，輔助指導(dǎo)現(xiàn)場施工測量放線，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力梁的底模板精確定位。

3.4 大面積混凝土澆筑引入一種新型振搗引導(dǎo)器施工技術(shù)

通過分析大面積預(yù)應(yīng)力混凝土梁的施工技術(shù)特點，創(chuàng)新性提出了在預(yù)應(yīng)力混凝土梁內(nèi)引入一種垂直的振搗引導(dǎo)器，并嚴(yán)格控制澆筑技術(shù)要點，有效地解決大面積復(fù)雜預(yù)應(yīng)力混凝土深梁構(gòu)件中振搗棒難以深至底部，導(dǎo)致混凝土梁底部澆筑質(zhì)量難以保證的技術(shù)難題［5］。

3.4.1 振搗引導(dǎo)器深化和預(yù)制加工一體化

應(yīng)用一種振搗引導(dǎo)器輔助振搗棒完成預(yù)應(yīng)力梁混凝土澆筑是一項自主創(chuàng)新技術(shù)。通過應(yīng)用 BIM 的三維可視化技術(shù)，針對 700 mm×1 300 mm 規(guī)格預(yù)應(yīng)力混凝土梁，模擬引導(dǎo)器與振搗棒之間的規(guī)格大小匹配關(guān)系，將振搗引導(dǎo)器深化設(shè)計成每根引導(dǎo)器由 6 根豎向鋼絲和直徑100 mm 的鋼圈構(gòu)成，豎向鋼絲通過點焊與外圍鋼圈牢固連接，外圍鋼圈直徑 80 mm，鋼圈間距 150 mm，振搗引導(dǎo)器長度深化設(shè)計成 1 250 mm，深化效果如圖 4 所示。

圖4 振搗引導(dǎo)器 BIM 三維深化及現(xiàn)場成品（單位：mm）

基于 BIM 三維深化模型，導(dǎo)出振搗引導(dǎo)器材料加工明細(xì)清單，如表 1 所示，并由 BIM 管理人員進(jìn)行詳細(xì)加工技術(shù)交底，輔助指導(dǎo)加工作業(yè)人員進(jìn)行工廠預(yù)制加工。

表1 振搗引導(dǎo)器加工清單明細(xì)

3.4.2 鋼筋安裝與振搗引導(dǎo)器穿插施工技術(shù)

通過預(yù)先與設(shè)計溝通并經(jīng)設(shè)計受力核算，將預(yù)應(yīng)力梁位于中間位置的上部一排 3 根及下部三排 3 根的受力主筋鋼筋凈距調(diào)整為 100 mm，能夠有效順利地實現(xiàn)直徑 80 mm 振搗引導(dǎo)器順利放置預(yù)應(yīng)力梁體內(nèi)，而避免鋼筋穿插造成振搗引導(dǎo)器產(chǎn)生破壞，振搗引導(dǎo)器起步在距離框架柱邊 200 mm，中間按照每隔 1 m 的“之”字形布置，如圖 5 梁上部振搗引導(dǎo)器布置示意圖（黑色區(qū)域為鋼筋，陰影區(qū)為孔道波紋管，圓圈為振搗引導(dǎo)器）。

圖5 振搗引導(dǎo)器“之”字形布置

振搗引導(dǎo)器在預(yù)應(yīng)力梁體內(nèi)安裝順序，實行兩階段固定。其中第一階段：預(yù)應(yīng)力受力主筋固定完成后，先臨時固定在受力主筋上；第二階段：箍筋和受扭鋼筋安裝過程中，再與箍筋完全固定。主要施工要點如下。

1）在預(yù)應(yīng)力梁所有的受力主筋，依據(jù) BIM 三維深化圖安裝完成后，將振搗引導(dǎo)器使用扎絲臨時固定在受力主筋上。

2）受力主筋位置的箍筋安裝時，首先按照 BIM 三維鋼筋深化模型排布，綁扎固定振搗引導(dǎo)器，再將側(cè)面抗扭鋼筋安裝，實現(xiàn)振搗引導(dǎo)器與鋼筋穿插作業(yè)。

3）預(yù)先按照預(yù)應(yīng)力筋深化排布圖，布置孔道波紋管，特別是在波紋管穿框架柱與梁鋼筋密集區(qū)，依據(jù) BIM 深化圖中波紋管預(yù)留位置和空間要求，使波紋管在預(yù)應(yīng)力梁保持順直，如圖 6 所示。

圖6 梁底部三排縱向主筋和波紋管安裝效果

4）波紋管安裝時，應(yīng)嚴(yán)格要求并檢查其位置準(zhǔn)確。高度方向與定位架立筋綁扎牢固，保證其線性流暢，無彎折損壞現(xiàn)象。對于損壞的部位進(jìn)行切除并纏緊修復(fù)或者更換波紋管。

5）穿鋼絞線時由錨固端向張拉端依次穿入并在穿入波紋管的過程中不斷調(diào)順，防止預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生扭絞。

6）現(xiàn)場安裝過程中，當(dāng)箍筋與振搗引導(dǎo)器的位置相互沖突時，優(yōu)先考慮保證箍筋的位置準(zhǔn)確，微調(diào)整振搗引導(dǎo)器，同時對振搗引導(dǎo)器出現(xiàn)不垂直、損壞的現(xiàn)象，調(diào)引導(dǎo)器至上下順直或者重新更換。

7）預(yù)應(yīng)力梁兩側(cè)模板安裝之前，必須按照深化設(shè)計圖紙檢查驗收預(yù)應(yīng)力孔道曲線矢高，普通鋼筋及振搗引導(dǎo)器位置，全部滿足要求后方可安裝兩側(cè)模板。

8）波紋管預(yù)留排水排氣孔，孔口導(dǎo)出管與波紋管連貫位置纏繞密實，最終導(dǎo)出管高于預(yù)應(yīng)力梁頂面 300 mm，灌漿孔和排氣孔位置根據(jù) BIM 三維深化圖安裝并做好臨時保護(hù)（見圖 7）。

圖7 預(yù)應(yīng)力梁鋼筋整體安裝效果

9） 對于承壓板、錨板周圍的混凝土應(yīng)加強(qiáng)振搗，嚴(yán)禁漏振，避免出現(xiàn)蜂窩或孔洞。在澆筑混凝土?xí)r，專人跟蹤，做好成品監(jiān)督和保護(hù)。

3.4.3 大面積混凝土澆筑施工技術(shù)

預(yù)應(yīng)力混凝土梁所在區(qū)域為超限梁區(qū)域，必須依據(jù)審批完成的超限高大模板支撐加固安全專項施工方案，完成模板支撐和加固體系后，經(jīng)驗收通過后，方可澆筑混凝土。

借助 BIM 可視化的特性，對混凝土澆筑順序和施工操作要點進(jìn)行動態(tài)化模擬演示，特別是對預(yù)應(yīng)力梁和框架梁相交部位鋼筋、波紋管矢高布置圖，振搗引導(dǎo)器所在位置的澆筑順序進(jìn)行詳細(xì)地模擬分析并明確預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑，有效實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力梁區(qū)域超限梁支撐體系受力相對均衡。借助 BIM 三維模型，進(jìn)行三維可視化混凝土澆筑技術(shù)交底，提高澆筑作業(yè)人員的操作能力。施工要點如下。

1）施工前，進(jìn)場拌合物的坍落度和擴(kuò)展度，經(jīng)檢驗合格后，方可澆筑。

2）澆筑前，注意預(yù)應(yīng)力張拉端進(jìn)行覆蓋保護(hù)并做好標(biāo)識，避免混凝土澆筑造成破壞，并在振搗過程中，對于張拉端墊板后混凝土必須振搗密實以防后期預(yù)應(yīng)力張拉時發(fā)生端部混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

3）按照澆筑方案劃分 I、II、III 標(biāo)段，每標(biāo)段分三層從中心向兩側(cè)對稱依次澆筑、振搗，確保振搗到位。

4）澆筑時，將振動棒插入預(yù)先安裝好的振搗引導(dǎo)器內(nèi)，采取快插慢拔的原則，充分振搗，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力梁底部混凝土振搗密實。

5）加強(qiáng)對預(yù)應(yīng)力混凝土梁的薄膜養(yǎng)護(hù)，防止張拉前出現(xiàn)早期收縮裂縫。

4 結(jié)語

通過對大面積復(fù)雜預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工過程進(jìn)行應(yīng)用總結(jié)，并創(chuàng)新性地應(yīng)用一種振搗引導(dǎo)器在預(yù)應(yīng)力混凝土梁區(qū)內(nèi)的施工技術(shù)，有效地解決了大面積復(fù)雜預(yù)應(yīng)力梁區(qū)域混凝土施工中，梁底部因鋼筋和波紋管密集排布而施工質(zhì)量難以有效得到保證的難題，為有效地降低預(yù)應(yīng)力混凝土在抵抗重荷載和大跨度結(jié)構(gòu)等效應(yīng)而產(chǎn)生的裂縫提供技術(shù)保證，在超深預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)澆筑過程中可作為一項大力推廣應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)。Q