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三層連體后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土桁架高空原位現(xiàn)澆施工技術(shù)
摘 要 信陽百花之聲（Flower Music of Xinyang）工程連廊采用了三層連體后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土現(xiàn)澆桁架，該工程的實踐使鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆桁架結(jié)構(gòu)從2層連體推廣到了3層連體，本文旨在為多層連體預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆桁架提供施工經(jīng)驗，推進(jìn)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展。 關(guān)鍵詞 預(yù)應(yīng)力；桁架；GBF空心模殼；模板支撐 中圖分類號TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號1674-6708（2013）100-0178-02 1 工程概況 信陽百花之聲工程4個連廊中部跨度22.5m，寬度21m， 1、2層為2層通高，底部架空高度13m，上部結(jié)構(gòu)采用三層連體的預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)，3、4層的層高均為4.8m，其中12.95m層樓蓋為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，有300mm×1200mm預(yù)應(yīng)力主梁5道，500mm×800mm非預(yù)應(yīng)力次梁3道，預(yù)應(yīng)力主梁和桁架相平行，現(xiàn)澆板厚100mm。17.65m層樓蓋結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力空心樓板，板厚500，內(nèi)置390個薄壁空心圓管，每個空心管的長度1m，直徑380mm。22.4m層樓蓋為預(yù)應(yīng)力主次梁結(jié)構(gòu)，有300mm×1000mm預(yù)應(yīng)力主梁4道，300mm×500mm非預(yù)應(yīng)力次梁5道，預(yù)應(yīng)力主梁布置和桁架相垂直，現(xiàn)澆板板厚120mm。 2 工程難點與風(fēng)險分析 本工程的三層連體后張預(yù)應(yīng)力桁架和三層樓板緊密聯(lián)系在一起，只能采取高空原位現(xiàn)澆的施工方法。該類工程尚不多見，可借鑒的施工技術(shù)資料也很少，通過分析，其難點和施工的風(fēng)險主要有以下幾個方面： 1）高大模板支架的風(fēng)險：本工程圖紙設(shè)計底部架空高度為13m，施工時室外場地原始地面低于設(shè)計標(biāo)高，從施工當(dāng)時的室外地面計算架空14.2m，屬于高支模工程，最大梁截面300mm×1200mm，施工荷載很大。另外，三層連體的預(yù)應(yīng)力桁架在施工過程中，桁架受力體系尚未形成，底層的高大模板支撐不僅僅要承受本層的混凝土澆筑施工荷載，甚至還要承擔(dān)3層和4層的部分施工荷載。底層模板支架需要抵抗多大的垂直荷載才能夠保證安全，必須搞清楚。并且為保證其他施工區(qū)域的正常進(jìn)展，高大模板支撐的底部還需設(shè)置人員車輛能夠通行的安全通道； 2）預(yù)應(yīng)力張拉的風(fēng)險：在桁架下玄、兩根直腹桿上面均設(shè)置有預(yù)應(yīng)力鋼絞線，底部預(yù)應(yīng)力鋼筋在上部結(jié)構(gòu)施工加載過程中，必須分步驟進(jìn)行張拉，起到平衡荷載調(diào)節(jié)變形的作用，如何分級張拉，如何確定張拉順序，是施工面臨的又一難題，不僅僅計算困難，而且不平衡張拉可能給整個結(jié)構(gòu)帶來不可預(yù)想的后果。 3 初步受力分析 施工前根據(jù)圖紙設(shè)計建立有限元模型，利用PKPM軟件進(jìn)行力學(xué)仿真分析，模擬實際施工現(xiàn)場的各種工況，分別對12.95m層、17.65m層、22.4m層混凝土澆筑時的工況進(jìn)行初步模擬仿真分析。根據(jù)力學(xué)仿真分析結(jié)果，得出以下結(jié)論： 1）22.4m層混凝土澆筑時，是結(jié)構(gòu)構(gòu)件最危險的階段，此時，桁架尚未形成整體，如果底部支撐承載能力不足，中間3#、4#節(jié)點易失效而形成幾何可變體系（圖1）。 2）預(yù)應(yīng)力張拉順序不同，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)抗力將有10%左右的差異，而且后期張拉的預(yù)應(yīng)力對前期張拉構(gòu)件引起新的變形，兩者需達(dá)到協(xié)調(diào)一致，方可共同受力。 4 架空連廊底部高大模板支撐方案設(shè)計 依據(jù)有限元模型初步分析結(jié)果，腳手架底部支撐方案設(shè)計步驟如下： 首先按12.95m層桁架混凝土澆筑時的工況進(jìn)行高大模板支架的設(shè)計，通過計算，底部支撐立桿間距900mm×900mm，在300mm×1200mm梁底部增加一排立桿即可滿足要求（其它參數(shù)從略），考慮到上部結(jié)構(gòu)施工時，仍有部分荷載傳遞到模板支架上，立桿間距取800mm×800mm。 然后對17.65m層混凝土澆筑時的工況進(jìn)行驗算，由于此時的受力不容易分析，將底部腳手架的反力折合成20KN/m的向上線荷載，對桁架下玄進(jìn)行驗算，此時下玄預(yù)應(yīng)力尚未張拉，只考慮非預(yù)應(yīng)力鋼筋受力，通過驗算，桁架下玄可以滿足受力要求。 第3步是對22.4m層混凝土澆筑工況進(jìn)行驗算，仍將底部腳手架的反力折合成20KN/m的向上線荷載（圖2），驗算結(jié)果不能滿足計算要求。因施工期間正值2009年夏天，考慮到22.4m層混凝土澆筑時17.65m層混凝土強(qiáng)度能夠達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的80%，可以進(jìn)行預(yù)應(yīng)力空心樓板的張拉，張拉后可先將17.65m層底模拆除，以減輕荷載。去掉17.65m層架體荷載再次驗算，底部桁架仍不能滿足計算要求（圖3）。 如圖4所示，其中上玄受壓2544kN，結(jié)構(gòu)可承受的壓力2881kN，下玄受拉2544kN，桿件中非預(yù)應(yīng)力可承受2001kN，而此時下玄預(yù)應(yīng)力混凝土強(qiáng)度可以達(dá)到80%，因此決定在混凝土澆筑前將預(yù)應(yīng)力鋼筋先張拉500kN（占總預(yù)應(yīng)力張拉值的32.4%）。將預(yù)應(yīng)力張拉條件代入計算模型再次驗算，結(jié)果通過。 驗算后，再次將此方案設(shè)計結(jié)果建立有限元模型，利用PKPM軟件進(jìn)行有限元分析，通過分析，可以滿足計算要求。 5 底部安全通道的設(shè)置 為確保施工順利進(jìn)展，考慮到內(nèi)部天井需要有車輛和人員出入，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，需在底部模板支架內(nèi)留置安全通道，安全通道處的架體搭設(shè)亦經(jīng)過詳細(xì)的荷載計算，并按規(guī)范搭設(shè)。 東、西連廊需留設(shè)5m的安全通道，以便車輛通行，腳手架的搭設(shè)采取了下部加壓桿的方法，由于300mm×1200mm的梁荷載較大，采用4根φ114鋼管作為底部支撐，拆除后作為消防管道的水管使用，水平承力結(jié)構(gòu)為一個焊接平行桁架，采用8#槽鋼做為上下玄、φ48鋼管作為直腹桿、φ14鋼筋作為斜腹桿（圖4）。 南北連廊需留設(shè)3m的安全通道，主要用于人員通行，采用了上部加拉桿的搭設(shè)方式，安全通道兩側(cè)的立桿采用了雙立桿。 6鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆 桁架豎桿預(yù)應(yīng)力鋼筋長度為10.8m，施工過程中無法豎直固定，采取了分層穿波紋管，在外墻腳手架上面搭放固定的方法（圖5）。 由于施工方案中要求在22.4m層混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到80%時就要將預(yù)應(yīng)力空心樓板底部的模板支撐拆除進(jìn)行卸荷，與原設(shè)計不符，通過設(shè)計單位再次認(rèn)真核算，此空心樓蓋在達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的90%時再行拆除方可保證安全。實施過程中，在17.65m層澆筑后的第10天達(dá)到了張拉條件，第14天張拉完成后對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行回彈檢測，其強(qiáng)度已達(dá)到95%，隨后拆除此結(jié)構(gòu)層的模板。 底層模板支架的拆除需要在三層連體桁架形成受力整體，預(yù)應(yīng)力張拉完成后進(jìn)行。拆除底層模板時，遵循“從中間向兩邊，依次推進(jìn)，對稱拆除”的原則，以保證荷載由腳手架向結(jié)構(gòu)本身逐步傳遞，避免荷載不均勻傳遞帶來的負(fù)面影響。 7 預(yù)應(yīng)力張拉 在確定桁架底部模板支架方案時，提出22.4m層混凝土澆筑前需將桁架下玄預(yù)應(yīng)力鋼筋先張拉32.4%，隨后我們在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉有限元分析過程中，將這一限定條件加入到分析程序中，分析結(jié)果其受力可以達(dá)到結(jié)構(gòu)安全性要求，但理論計算變形過大（達(dá)到了18mm），隨后進(jìn)行了方案調(diào)整，將桁架下玄首次張拉值提高到50%，最終確定的張拉順序為： 下玄混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%→下玄張拉50%→澆筑22.4m層混凝土→桁架混凝土強(qiáng)度總體達(dá)到80%→下玄張拉103%（超張拉3%）→2根豎桿張拉。 在與預(yù)應(yīng)力桁架相連的三層樓板內(nèi)均存在預(yù)應(yīng)力，其中22.4m層預(yù)應(yīng)力梁與桁架相垂直，其張拉在桁架預(yù)應(yīng)力張拉后進(jìn)行，其余兩層預(yù)應(yīng)力梁或預(yù)應(yīng)力空心樓蓋預(yù)應(yīng)力鋼筋與桁架相平行，可以先于預(yù)應(yīng)力桁架張拉。 為使桁架預(yù)應(yīng)力進(jìn)一步起到調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)變形的作用，在施工過程中，對桁架下玄進(jìn)行了變形觀測（圖6），通過觀測，最大下?lián)献冃瘟繛?mm，沒有出現(xiàn)較大變形，預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉按預(yù)定方案進(jìn)行。 8 結(jié)論 本工程實踐過程中，通過計算機(jī)輔助高大模板支架設(shè)計，分工況多次復(fù)核驗算，解決了底層模板支架搭設(shè)高度高、施工荷載大、多層荷載共同向下傳遞的難題，但采用傳統(tǒng)的鋼管腳手架和傳統(tǒng)木模板的施工方法，費工耗時、周轉(zhuǎn)材料投入較大，傳統(tǒng)的支模方法急需改進(jìn)，市場呼喚一種新型模架支撐體系的出現(xiàn)。 本工程通過預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有限元分析、分批次、分級、分階段張拉、變形監(jiān)控等措施，整個施工過程構(gòu)件變形受控，達(dá)到了預(yù)期的效果，對其他類似工程具有廣泛的借鑒意義。 本工程的實踐使三層連體鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆桁架結(jié)構(gòu)成為一種現(xiàn)實，從單層預(yù)應(yīng)力梁到2層連體桁架再到3層連體桁架，以后的發(fā)展，可能會出現(xiàn)多層連體的桁架，其跨度可以和鋼結(jié)構(gòu)相比美，能夠把預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特長發(fā)揮到極致，這種結(jié)構(gòu)形式還適合在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1]成聯(lián)廣.BDF橢圓形薄壁水泥空心管定位與抗浮施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2011，2：150-151.
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