基于施工力学的大跨度预应力混凝土框架结构张拉变形研究

熊华兵，王虎祥，田佳岐

（1.中铁一局集团建筑安装工程有限公司，西安 710054；2.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021）

缓粘结预应力混凝土空心楼盖综合了缓粘结预应力混凝土技术和现浇混凝土空心楼盖技术的新型现浇混凝土楼盖结构。缓粘结预应力技术的应用，将有效提高结构的承载力，控制结构挠度和裂缝，增大结构使用空间[1-2]。

针对无粘结预应力混凝土技术和有粘结预应力混凝土技术在工程应用中存在的不足，缓粘结预应力混凝土技术应运而生，该技术在综合2 种技术优点的同时，极大地避免了二者不足，所以非常适合用于预应力混凝土楼板。对于未采用预应力技术的普通混凝土实心板，其最大跨度一般不超过8 m，而未采用预应力技术的普通混凝土空心板跨度约为15 m；但在采用缓粘结预应力混凝土技术后，现浇混凝土空心板跨度可大幅提升至25 m，且板底平整美观，可满足商场、展厅和办公楼等大跨度、大空间的公共建筑。

现浇混凝土空心楼盖结构自20 世纪60 年代问世以来，在世界范围内得到广泛应用，我国颁布了相应的技术规程[3-4]。针对工程应用中遇到的新问题，国内外学者通过系统研究完善了空心楼板技术体系。蒋庆等[5]在参照不同规范的基础上，采用拟梁法对比分析了带拼缝的全预制混凝土空心楼板的简化分析方法。刘航等[6]针对无筋砖砌体结构抗震性能差的问题，提出了采用外加预应力斜拉杆对砖墙进行抗震加固的新方法。林树潮等[7]采用动力时程分析方法研究了考虑预应力作用对核电站安全壳地震响应的影响。合理的施工方案不仅能够提高施工质量和效率，还有利于实现“实现四节一环保”。

对此，本文基于施工力学原理，采用数值模拟方法分析了不同施工方案条件下缓粘结预应力空心楼板结构变形特征，对比分析了“整体浇筑、逆向张拉”和“整体浇筑、顺向张拉”对结构响应的影响规律。

1 大跨度预应力混凝土结构张拉施工方案

施工工艺对结构响应有着直接影响，合理的施工方案不仅能确保施工安全，还可以提高效率、缩短工期、节约成本。预应力混凝土施工更是如此，确定混凝土浇筑和预应力筋张拉的先后顺序至关重要。根据混凝土浇筑与预应力张拉顺序的不同，可以将预应力混凝土结构施工分为“逐层浇筑、逐层张拉”“数层浇筑、顺向张拉”“数层浇筑、逆向张拉”3 种方案。

1.1 “数层浇筑、顺向张拉”

现浇预应力混凝土多层建筑结构施工时，在完成若干楼层混凝土的浇筑和养护后，再按照自下而上的“顺向”张拉顺序对预应力筋进行逐层张拉，这种施工顺序称为“数层浇筑、顺向张拉”，图1 为该施工方法示意图。

图1 “数层浇筑、顺向张拉”施工方法示意图

采用这种施工方案时，结构混凝土浇筑和养护可按照普通钢筋混凝土结构逐层连续施工；预应力筋张拉则可穿插进行，以节约工期。但这种顺序，由于下层支撑需要承受其上楼层的施工荷载而无法及时拆除，造成占用较多的支撑和模板。此外，由于下层预应力筋张拉会产生向上的反拱效应，进而对其上楼层产生不利影响，因此，采用该施工方案时需要确保上部各楼层混凝强度满足施工要求。

1.2 “数层浇筑、逆向张拉”

现浇应力混凝土多层建筑结构施工时，完成楼层混凝土浇筑与养护后，再按照自上而下的“逆向”张拉顺序对各楼层中的预应力筋进行逐层张拉，这种施工顺序称为“数层浇筑、逆向张拉”，图2 为该施工方法示意图。

图2 “数层浇筑、逆向张拉”施工方法示意图

采用该施工方案时，可按普通现浇混凝土结构从底到顶完成混凝土浇筑，然后再从上层开始逐层向下张拉预应力筋，从而有效提高预应力筋施工效率，减少预应力张拉施工进场次数。

2 预应力混凝土张拉施工方案对比分析

2.1 有限元模型建立

利用SAP2000 有限元分析软件，建立某多层大跨度预应力混凝土空心板结构模型，分别模拟2 种施工方案下逐层张拉预应力的情景。项目结构形式为框架结构，1 楼层高为5.6 m，2 楼层高为5.1 m，3~5 楼层高均为4.2 m，其中，2 楼预应力混凝土空心楼板部分楼层平面图如3（a）所示。梁、柱混凝土等级均为C40，箍筋和纵筋均采用HRB400。预应力钢筋采用1 860 Mpa，直径21.8 mm 的高强低松弛缓粘结钢绞线，设计张拉控制应力为1 395 Mpa；预应力筋线形均为抛物线布置。预应力筋张拉方式为一端张拉，预应力筋张拉端设在框梁外侧或框梁外侧板面。建模过程中，在定义预应力荷载时，不考虑预应力损失，最终建立此项目预应力空心楼板部分结构有限元模型如图3（b）所示。

图3 模型平面布置与三维效果图

2.2 模拟结果分析

2.2.1 结构内力分析

为了探究“整体浇筑、顺向张拉”“整体浇筑、逆向张拉”2 种预应力施工方案对框架梁弯矩的影响，分别选取东西方向3#轴框架作为研究对象。在阶段施工工况运行分析完成后，不同施工方案下所对应框架梁的弯矩图如4 和图5 所示。分析比较图4 的弯矩图可发现，在“整体浇筑、逆向张拉”施工方案下，分别就第5层和第4 层框架梁进行预应力张拉，都只会对相邻楼层框架梁的弯矩产生影响。由于第3 层为结构收进突变层，张拉过程中产生的内力需要由其下部框架分担和平衡，因此，第3 层预应力张拉同时对第2 层和第1层框架弯矩产生影响。

图4 逆向张拉过程3#框架弯矩图

图5 顺向张拉过程3#框架弯矩图

对比图5 的框架弯矩图可知，采用“整体浇筑、顺向张拉”施工方案完成预应力张拉后所引起的弯矩，与“整体浇筑、顺向张拉”施工方案存在明显区别。其中，逆向张拉施工方案引起的弯矩主要分布于框架柱端部，梁端弯矩普遍相对较小；顺向张拉施工方案使得梁端弯矩显著增大，且跨中负弯矩量值较大，这就导致大跨预应力混凝土空心楼板处容易出现向上凸起变形。

2.2.2 结构变形分析

结构变形是预应力张拉过程中重要的监测和控制指标，为此，同样选取东西方向3#轴框架作为研究对象，不同张拉方案完成后结构变形如图6 和图7所示。

分析对比图6 和图7 预应力张拉后结构变形可知，相比顺向张拉施工方案，逆向张拉施工方案所引起的结构内力与变形均相对较小；还可发现，“整体浇筑、逆向张拉”对框架柱水平向变形影响较小，“整体浇筑、顺向张拉”对框架柱水平向变形影响较大。

图6 逆向张拉过程3#框架变形图

图7 顺向张拉过程3#框架变形图

3 结束语

以实际工程为背景，分别模拟了2 种施工方案下逐层张拉预应力的情景。通过对2 种施工方案下结构内力和变形的对比分析，主要得出如下结论：①“整体浇筑、逆向张拉”施工方案下，张拉结构突变层，会对其下2 层框架梁的弯矩均产生影响；张拉其他楼层时，只对相邻楼层框架梁层弯矩产生影响。“整体浇筑、顺向张拉”施工方案下，张拉1 层和2 层，均会对其上2 层框架梁弯矩产生影响；张拉其他楼层，主要对相邻楼层框架梁弯矩产生影响。②“整体浇筑、逆向张拉”施工方案下框架梁的变形比“整体浇筑、顺向张拉”施工方案下的小，这一现象在2 种施工方案下，第2 层张拉完成后对比最明显；“整体浇筑、逆向张拉”施工方案下框架柱的水平向变形比“整体浇筑、顺向张拉”施工方案下的小。③“整体浇筑、逆向张拉”施工方案下结构各楼层的弯矩、位移与层间位移角均比“整体浇筑、顺向张拉”方案下小。