侯海濤

(上海新鴻基威萬房地產(chǎn)有限公司,上海 200020)

當(dāng)前隨著對建筑空間的需求,大跨度、大空間設(shè)計應(yīng)用更為廣泛,為此通過增加梁間距,優(yōu)化上部結(jié)構(gòu),因此高性能預(yù)應(yīng)力混凝土梁可以實現(xiàn)更大的跨越。通過對世博綠谷項目泳池預(yù)應(yīng)力梁工程實體檢測、分析和優(yōu)化建議,使得預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工階段的彈性撓度與各時變參數(shù)的長期效應(yīng)達到相對最優(yōu)狀態(tài),提高了混凝土的耐久性和抗開裂能力,減少由于收縮、徐變帶來的影響。

1 工程概況

世博A片區(qū)位于上海世博會永久保留展館中國館東側(cè),與世博會B片區(qū)(央企總部區(qū))相鄰,該區(qū)域定義為“世界級工作社區(qū)”,項目用地面積為46 692 m2,總建筑面積為241 056 m2,建筑由4棟單體組成,建成后集商業(yè)、金融、辦公為一體。

2 預(yù)應(yīng)力雙曲線魚腹式鋼筋混凝土單跨梁原設(shè)計介紹

項目裙房結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu),商業(yè)區(qū)域游泳館因跨度要求,全部采用預(yù)應(yīng)力雙曲線魚腹式鋼筋混凝土單跨梁(以下簡稱預(yù)應(yīng)力梁),典型跨度為19.05 m,局部少量梁跨度為12.525 m和15 m,梁的有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 預(yù)應(yīng)力梁參數(shù)表

預(yù)應(yīng)力梁平面呈支座寬、跨中窄的雙曲面形狀,立面呈魚腹?fàn)?且跨中兩側(cè)平面弧度和立面弧度均不同,跨中最大梁高為1 125 mm,如圖1,圖2所示,梁跨中4.9 m范圍設(shè)有7個設(shè)備孔道,其中最大的設(shè)備孔道外緣尺寸達850 mm×500 mm,孔道高度占了梁高的45%,如圖3所示。

預(yù)應(yīng)力梁混凝土強度等級為C40,采用后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù),因外立面采用清水混凝土,故將張拉端置于室內(nèi)吊頂空間內(nèi)的柱側(cè)。

預(yù)留孔道采用金屬波紋管成型,灌漿使用42.5級普通硅酸鹽水泥采用真空灌漿技術(shù)進行,張拉端采用夾片式錨具,固定端采用擠壓式錨具。

此種形狀的預(yù)應(yīng)力梁在國內(nèi)尚屬首次進行大規(guī)模應(yīng)用,建設(shè)單位和設(shè)計單位要求取結(jié)構(gòu)施工圖典型部位現(xiàn)場制作等比例實體模型對預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計進行驗證。

實體模型取A區(qū)端部核心筒和相連的一跨框架結(jié)構(gòu),上下二層樓板結(jié)構(gòu)各含2條跨度19.050 m的預(yù)應(yīng)力梁。

測試的主要內(nèi)容有:

1)因孔道摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失。

2)加載過程中控制截面的應(yīng)變發(fā)展情況以及裂縫開展情況。

3 測試過程與分析

3.1 孔道摩擦損失檢測與分析

通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉伸長值的測量結(jié)果,可以計算出孔道摩擦系數(shù),由此孔道摩擦系數(shù)可得實測的孔道摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失,張拉控制應(yīng)力減去實測孔道摩擦預(yù)應(yīng)力損失即為實測有效預(yù)應(yīng)力,根據(jù)實測有效預(yù)應(yīng)力與理論有效預(yù)應(yīng)力的比較,可得有效預(yù)應(yīng)力是否滿足設(shè)計要求。一層頂部預(yù)應(yīng)力梁的張拉伸長值測試結(jié)果見表2。

表2 一層頂部預(yù)應(yīng)力梁張拉伸長值測試結(jié)果

由于為一端張拉,預(yù)應(yīng)力筋孔道摩擦系數(shù)μ和預(yù)應(yīng)力束考慮孔道每米長度局部偏差的摩擦影響系數(shù)k,需要通過預(yù)應(yīng)力筋張拉伸長值和張拉力來推斷。計算孔道摩擦系數(shù)μ時,取預(yù)應(yīng)力束考慮孔道每米長度局部偏差的摩擦影響系數(shù)k=0.001 5,實測孔道摩擦系數(shù)μ按式(1)計算:

(1)

由式(1)即可得到預(yù)應(yīng)力筋任意截面處的摩擦損失,見式(2):

σ12=Pj(1-e-(kx+μθ))

(2)

由式(1)計算所得的實測伸長值及式(2)即可得到在張拉控制應(yīng)力下的孔道摩擦系數(shù)見表3。

由表3可以看出,預(yù)應(yīng)力筋的孔道摩擦系數(shù)較大,但預(yù)應(yīng)力筋的伸長值其實測值與理論值的偏差在規(guī)范要求的6%以內(nèi)[1]。

3.2 一層頂部預(yù)應(yīng)力梁變形試驗

3.2.1 測量過程與結(jié)果

因時間問題,第一次試驗在預(yù)應(yīng)力張拉后孔道未灌漿的情況下即開始正式用沙袋進行加載,設(shè)計給定的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5.1 kN/m2,加載過程分兩步:第一步先加載至荷載標(biāo)準(zhǔn);第二步再加載至荷載標(biāo)準(zhǔn)值的1.25倍。

當(dāng)加載至荷載標(biāo)準(zhǔn)值時,開裂情況如圖4,圖5所示,出現(xiàn)的裂縫主要以受彎裂縫為主,未發(fā)現(xiàn)斜向受剪裂縫,受彎裂縫的最大寬度為0.2 mm,分布在跨中位置;洞口周圍裂縫主要分布在兩個大洞的底邊及水平斜洞的角部,洞口底邊處裂縫寬度最大,達到0.7 mm,裂縫由洞口向梁底沿豎向發(fā)展,洞口底邊處裂縫沿梁寬度方向貫通,角部的45°斜裂縫最大寬度為0.08 mm,該裂縫的產(chǎn)生與跨中彎矩及洞口周圍的應(yīng)力集中有關(guān)。

當(dāng)加載至荷載標(biāo)準(zhǔn)值的1.25倍時,未見受拉主筋拉斷及受壓區(qū)混凝土壓壞情況,但裂縫的寬度及長度均有所發(fā)展,最大裂縫位置仍為洞口底邊,裂縫寬度由0.17 mm發(fā)展到0.18 mm,其他受彎裂縫最大值由0.2 mm發(fā)展到0.3 mm,梁底裂縫沿梁寬方向貫通,兩端支撐預(yù)應(yīng)力次梁的2條矩形框架梁在此工況下只在內(nèi)側(cè)的梁底發(fā)現(xiàn)兩條細(xì)微裂縫,寬度小于0.05 mm。

3.2.2 首次測試結(jié)論與設(shè)計改進

1)首次測試結(jié)論。在豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值短期作用下,洞口底邊出現(xiàn)的最大裂縫寬度達0.7 mm,受彎裂縫寬度較大,達到0.2 mm,無法滿足結(jié)構(gòu)的正常使用及構(gòu)件耐久性要求。

加載至荷載標(biāo)準(zhǔn)值1.25倍時,洞口底邊最大裂縫寬度達0.8 mm,梁底最大受彎裂縫0.3 mm,無法滿足結(jié)構(gòu)的正常使用及構(gòu)件耐久性要求。在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值1.25倍時,未發(fā)現(xiàn)受拉主筋拉斷及受壓區(qū)混凝土壓壞等破壞標(biāo)志,可認(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)組合值1.25倍的豎向荷載作用下,結(jié)構(gòu)仍未達到承載力極限狀態(tài),滿足承載力要求[2]。

2)設(shè)計改進(如圖6所示)。梁跨中寬度需增加(最終將梁跨中截面寬度由500 mm修改為650 mm,雙曲線弧度均修改為R=443 100 mm和R=190 033 mm)。

梁底非預(yù)應(yīng)力主筋需增加(最終將梁底主筋由8根修改為10根)。

洞口周邊Z形加強鋼筋數(shù)量需增多(最終將850 mm×500 mm與690 mm×245 mm洞口之間的Z形加強鋼筋由3根修改為6根)。

洞口底應(yīng)增加附加鋼筋(最終增加了洞口底部附加鋼筋2根)。

洞口周邊應(yīng)增加防止開裂鋼筋(最終增加了環(huán)繞封閉箍筋,箍筋形式同設(shè)備孔道形狀,增加了洞側(cè)小套箍筋2道)。

3.3 設(shè)計改進后的預(yù)應(yīng)力梁變形試驗

3.3.1 試驗測量方案

模型的一層頂部樓面有兩根預(yù)應(yīng)力混凝土梁A-YKLS01Y,A-YLS01Y,沿預(yù)應(yīng)力梁長度方向設(shè)置5個測試截面:梁2端、2個4分點和跨中,通過粘貼在梁表面的混凝土應(yīng)變片測試表面混凝土的應(yīng)變,通過梁主筋表面設(shè)置的鋼筋應(yīng)變計測量梁內(nèi)鋼筋的應(yīng)變,通過應(yīng)變和彈性模量計算相應(yīng)的鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)力,每個測試截面布置4個混凝土表面應(yīng)變片,4個內(nèi)部鋼筋應(yīng)變計,布置見圖7。洞口四周每根梁布置10個混凝土表面應(yīng)變片,見圖8。每根預(yù)應(yīng)力梁底設(shè)置5個百分表,監(jiān)測梁底的豎向位移,布置如圖7所示。

在預(yù)應(yīng)力張拉且孔道灌漿達到強度后開始正式采取“模型屋面封閉注水”方式進行加載,設(shè)計給定荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5.1 kN/m2,加載過程分兩步:第一步先加載至荷載標(biāo)準(zhǔn);第二步再加載至荷載標(biāo)準(zhǔn)值的1.25倍,加載過程中按設(shè)定時間間隔記錄應(yīng)力與變形。

3.3.2 二次試驗情況

二層頂部預(yù)應(yīng)力梁按照設(shè)計改進措施進行了施工,在預(yù)應(yīng)力張拉且孔道灌漿達到強度后再次進行了加載試驗。

1)加載至荷載標(biāo)準(zhǔn)值時情況如下:裂縫數(shù)量較少且主要為受彎裂縫,梁底裂縫寬度為0.01 mm～0.03 mm,梁底裂縫沿梁寬方向未貫通,梁上未發(fā)現(xiàn)斜向受剪裂縫。

梁側(cè)面洞口周圍裂縫很少,主要分布在兩個大洞洞口底邊及斜洞洞口的角部,斜洞洞口角部處裂縫寬度較大,最大達到了0.10 mm,裂縫由洞口向梁底沿豎向發(fā)展,洞口底邊處裂縫沿梁寬度方向并未貫通(見圖9,圖10)。

2)加載至1.25倍荷載標(biāo)準(zhǔn)值時情況如下:主要為受彎裂縫,數(shù)量仍然較少,但裂縫寬度及長度均有所發(fā)展,寬度為0.02 mm～0.05 mm,梁底裂縫沿梁寬方向貫通,梁上未發(fā)現(xiàn)斜向受剪裂縫。洞口底邊最大裂縫由0.10 mm發(fā)展到0.12 mm(見圖11,圖12)。

第二次試驗的測試數(shù)據(jù)見表4,圖13。

表4 撓度實測數(shù)據(jù)

3.3.3 二次測試結(jié)論

在豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值短期作用下,洞口底邊出現(xiàn)的最大裂縫寬度0.1 mm,梁底受彎裂縫的寬度為0.01 mm～0.03 mm,且裂縫數(shù)量較少,滿足結(jié)構(gòu)的正常使用及構(gòu)件耐久性要求。在1.25倍的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值短期作用下,洞口底邊的最大裂縫寬度達0.12 mm,梁底最大受彎裂縫寬度為0.05 mm,同時在該荷載作用下,未發(fā)現(xiàn)受拉主筋拉斷及受壓區(qū)混凝土壓壞等破壞標(biāo)志,可認(rèn)為在1.25倍的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值作用下,結(jié)構(gòu)未達到承載力極限狀態(tài),滿足承載力要求。

經(jīng)過對預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計改進,預(yù)應(yīng)力梁在豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值短期作用下,滿足結(jié)構(gòu)的正常使用及構(gòu)件耐久性要求,在1.25倍的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值短期作用下,滿足承載力要求[3]。

4 預(yù)應(yīng)力梁施工

4.1 工藝流程

梁支撐的搭設(shè)→梁底模安裝→梁鋼筋骨架綁扎→安裝預(yù)應(yīng)力定位支架→波紋管、墊板安裝→預(yù)應(yīng)力穿筋→預(yù)應(yīng)力筋驗收→綁扎梁非預(yù)應(yīng)力筋→梁非預(yù)應(yīng)力筋驗收→跨中預(yù)留洞模板安裝→跨中預(yù)留洞模板驗收→梁側(cè)模安裝→梁模板、支撐檢查驗收→混凝土澆筑(留置試塊)→混凝土養(yǎng)護→預(yù)應(yīng)力筋張拉(混凝土強度達到100%)→孔道灌漿→切除多余鋼絞線→混凝土封頭。

4.2 主要施工技術(shù)措施

1)梁底弧度控制。為保證梁底弧度準(zhǔn)確,現(xiàn)場制作等比例的定位復(fù)核支架(見圖14),在搭設(shè)梁底支撐橫桿時,將支架吊至相應(yīng)位置,以梁跨中和跨端為標(biāo)高控制點,控制標(biāo)高確定后,按照支架底確定支撐橫桿的標(biāo)高。

2)箍筋下料成型。預(yù)應(yīng)力梁的三面均為曲線,在梁的跨度方向每個箍筋均為不同尺寸型號,必須在準(zhǔn)確翻樣的基礎(chǔ)上,分型號加工,大面積開始加工和施工前應(yīng)先制作樣板并進行驗收(見圖15,圖16)。

3)預(yù)應(yīng)力筋下料、固定端擠壓制作及安裝。預(yù)應(yīng)力鋼絞線下料采用砂輪機進行切割,切口與鋼絞線垂直,以保證切口平順,絲頭不散,并對切頭進行包裹。下好料的按規(guī)格、長度均勻碼放在平坦光滑的地面,以免鋼絞線打節(jié)、磨損。預(yù)應(yīng)力筋使用前,用擠壓機將固定端鋼套筒擠壓成型,并將套筒和擠壓墊板連接,墊板前設(shè)螺旋筋。

4)張拉端墊板安裝。預(yù)應(yīng)力框架梁鋼筋主筋綁扎定位后,開始進行張拉端承壓墊板安裝。本工程張拉端設(shè)在懸挑板下端,由于承壓墊板安裝在主次梁節(jié)點處,安裝部位還有梁柱節(jié)點,安裝時根據(jù)情況可部分調(diào)整非預(yù)應(yīng)力筋位置,以保證墊板位置。

5)波紋管安裝及預(yù)應(yīng)力穿筋。波紋管安裝前,先在框架梁內(nèi)安裝預(yù)應(yīng)力定位支架,其間距約為1 000 mm。支架用φ12 mm直徑的鋼筋制作。由于非預(yù)應(yīng)力筋較密,在梁腰筋綁扎前鋪設(shè)波紋管,否則可能出現(xiàn)梁柱節(jié)點處及懸挑梁下端沖突交叉現(xiàn)象,導(dǎo)致布管困難。當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋沖突時,預(yù)應(yīng)力筋優(yōu)先于非預(yù)應(yīng)力筋。波紋管布置完成后,隨即逐一進行穿筋,穿筋前需檢查預(yù)應(yīng)力筋是否有破損情況。

6)混凝土澆筑及養(yǎng)護。預(yù)應(yīng)力筋、鋼絞線、波紋管完成隱蔽驗收合格后方可實施封模及混凝土澆筑。由于魚腹梁跨中設(shè)計了多個預(yù)留洞,在對預(yù)留洞模板進行支設(shè)時,必須保證洞口形狀及位置準(zhǔn)確。需特別控制混凝土澆搗過程中波紋管、錨具和承壓板的保護,不得使混凝土直接沖擊振動,以免造成波紋管破裂或移位。澆搗過程中重點關(guān)注張拉端、固定端、梁柱節(jié)點鋼筋密集處等關(guān)鍵部位,確保周邊混凝土密實?；炷翝仓枇糁猛瑮l件試塊,認(rèn)真養(yǎng)護,以確定張拉日期。

7)預(yù)應(yīng)力筋的張拉。預(yù)應(yīng)力梁張拉前對預(yù)先留置的同條件試塊進行監(jiān)測,確定抗壓強度達到設(shè)計值100%。張拉前對每條梁分組編號、醒目標(biāo)記,逐條張拉,數(shù)據(jù)與梁號一一對應(yīng),確保張拉過程受控。預(yù)應(yīng)力筋張拉采用應(yīng)力應(yīng)變雙重控制方式,以應(yīng)力控制為主,以應(yīng)變控制為輔。如張拉過程張拉值出現(xiàn)異常,預(yù)應(yīng)力筋的實際伸長值超過理論伸長值±6%范圍時,要立即停止張拉,待查明原因后再繼續(xù)進行張拉。

8)灌漿。預(yù)應(yīng)力筋張拉靜置12 h,觀察無異后72 h內(nèi)進行孔道灌漿,以防預(yù)應(yīng)力筋松弛或銹蝕?？椎拦酀{料強度不低于M30級,根據(jù)天氣情況水灰質(zhì)量比控制在0.42～0.48之間。并摻入水泥重量10%～12%的膨脹劑,以確?？椎拦酀{密實性可靠。灌漿壓力0.5 MPa～0.7 MPa直至排氣孔飽滿和冒出濃漿為止。各孔道灌漿應(yīng)一次完成,均勻緩慢穩(wěn)步的進行。壓漿后逐個孔道檢查密實情況。

9)錨具封堵。預(yù)應(yīng)力筋按設(shè)計參數(shù)張拉完成后,關(guān)閉進漿口、壓漿機。切除鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋多余部分,留設(shè)長度在錨具外露不小于30 mm,清除錨具周邊油漬、浮漿,并依據(jù)設(shè)計內(nèi)容使用混凝土封堵張拉端,確保密實。同時留存同條件砂漿試塊,以判定抗壓強度。

5 結(jié)語

大跨度、雙曲線、異形魚腹式預(yù)應(yīng)力梁對設(shè)計及施工單位都提出了新的挑戰(zhàn),本工程通過對施工現(xiàn)場實體模型進行了兩次測試,設(shè)計院通過測試結(jié)果,修改并確定了預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計和方案。總承包商在施工過程中,通過精心組織和施工,確保了雙曲線圓弧梁成型外觀平整光滑,結(jié)構(gòu)尺寸精確,預(yù)留設(shè)備孔道尺寸準(zhǔn)確,形狀一致,完全達到設(shè)計要求,為該工程大跨度成型效果的設(shè)計落地打下了堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。在大跨度、異形多變形預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計、施工方面積累了數(shù)據(jù)、工藝、維護保養(yǎng)技術(shù)經(jīng)驗。