双曲线预应力钢筋混凝土梁检测与施工技术

侯海涛

(上海新鸿基威万房地产有限公司,上海 200020)

当前随着对建筑空间的需求,大跨度、大空间设计应用更为广泛,为此通过增加梁间距,优化上部结构,因此高性能预应力混凝土梁可以实现更大的跨越。通过对世博绿谷项目泳池预应力梁工程实体检测、分析和优化建议,使得预应力混凝土梁施工阶段的弹性挠度与各时变参数的长期效应达到相对最优状态,提高了混凝土的耐久性和抗开裂能力,减少由于收缩、徐变带来的影响。

1 工程概况

世博A片区位于上海世博会永久保留展馆中国馆东侧,与世博会B片区(央企总部区)相邻,该区域定义为“世界级工作社区”,项目用地面积为46 692 m2,总建筑面积为241 056 m2,建筑由4栋单体组成,建成后集商业、金融、办公为一体。

2 预应力双曲线鱼腹式钢筋混凝土单跨梁原设计介绍

项目裙房结构类型为框架结构,商业区域游泳馆因跨度要求,全部采用预应力双曲线鱼腹式钢筋混凝土单跨梁(以下简称预应力梁),典型跨度为19.05 m,局部少量梁跨度为12.525 m和15 m,梁的有关参数见表1。

表1 预应力梁参数表

预应力梁平面呈支座宽、跨中窄的双曲面形状,立面呈鱼腹状,且跨中两侧平面弧度和立面弧度均不同,跨中最大梁高为1 125 mm,如图1,图2所示,梁跨中4.9 m范围设有7个设备孔道,其中最大的设备孔道外缘尺寸达850 mm×500 mm,孔道高度占了梁高的45%,如图3所示。

预应力梁混凝土强度等级为C40,采用后张有黏结预应力技术,因外立面采用清水混凝土,故将张拉端置于室内吊顶空间内的柱侧。

预留孔道采用金属波纹管成型,灌浆使用42.5级普通硅酸盐水泥采用真空灌浆技术进行,张拉端采用夹片式锚具,固定端采用挤压式锚具。

此种形状的预应力梁在国内尚属首次进行大规模应用,建设单位和设计单位要求取结构施工图典型部位现场制作等比例实体模型对预应力梁的设计进行验证。

实体模型取A区端部核心筒和相连的一跨框架结构,上下二层楼板结构各含2条跨度19.050 m的预应力梁。

测试的主要内容有:

1)因孔道摩擦引起的预应力损失。

2)加载过程中控制截面的应变发展情况以及裂缝开展情况。

3 测试过程与分析

3.1 孔道摩擦损失检测与分析

通过预应力钢绞线张拉伸长值的测量结果,可以计算出孔道摩擦系数,由此孔道摩擦系数可得实测的孔道摩擦引起的预应力损失,张拉控制应力减去实测孔道摩擦预应力损失即为实测有效预应力,根据实测有效预应力与理论有效预应力的比较,可得有效预应力是否满足设计要求。一层顶部预应力梁的张拉伸长值测试结果见表2。

表2 一层顶部预应力梁张拉伸长值测试结果

由于为一端张拉,预应力筋孔道摩擦系数μ和预应力束考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦影响系数k,需要通过预应力筋张拉伸长值和张拉力来推断。计算孔道摩擦系数μ时,取预应力束考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦影响系数k=0.001 5,实测孔道摩擦系数μ按式(1)计算:

(1)

由式(1)即可得到预应力筋任意截面处的摩擦损失,见式(2):

σ12=Pj(1-e-(kx+μθ))

(2)

由式(1)计算所得的实测伸长值及式(2)即可得到在张拉控制应力下的孔道摩擦系数见表3。

由表3可以看出,预应力筋的孔道摩擦系数较大,但预应力筋的伸长值其实测值与理论值的偏差在规范要求的6%以内[1]。

3.2 一层顶部预应力梁变形试验

3.2.1 测量过程与结果

因时间问题,第一次试验在预应力张拉后孔道未灌浆的情况下即开始正式用沙袋进行加载,设计给定的荷载标准值为5.1 kN/m2,加载过程分两步:第一步先加载至荷载标准;第二步再加载至荷载标准值的1.25倍。

当加载至荷载标准值时,开裂情况如图4,图5所示,出现的裂缝主要以受弯裂缝为主,未发现斜向受剪裂缝,受弯裂缝的最大宽度为0.2 mm,分布在跨中位置;洞口周围裂缝主要分布在两个大洞的底边及水平斜洞的角部,洞口底边处裂缝宽度最大,达到0.7 mm,裂缝由洞口向梁底沿竖向发展,洞口底边处裂缝沿梁宽度方向贯通,角部的45°斜裂缝最大宽度为0.08 mm,该裂缝的产生与跨中弯矩及洞口周围的应力集中有关。

当加载至荷载标准值的1.25倍时,未见受拉主筋拉断及受压区混凝土压坏情况,但裂缝的宽度及长度均有所发展,最大裂缝位置仍为洞口底边,裂缝宽度由0.17 mm发展到0.18 mm,其他受弯裂缝最大值由0.2 mm发展到0.3 mm,梁底裂缝沿梁宽方向贯通,两端支撑预应力次梁的2条矩形框架梁在此工况下只在内侧的梁底发现两条细微裂缝,宽度小于0.05 mm。

3.2.2 首次测试结论与设计改进

1)首次测试结论。在竖向荷载标准值短期作用下,洞口底边出现的最大裂缝宽度达0.7 mm,受弯裂缝宽度较大,达到0.2 mm,无法满足结构的正常使用及构件耐久性要求。

加载至荷载标准值1.25倍时,洞口底边最大裂缝宽度达0.8 mm,梁底最大受弯裂缝0.3 mm,无法满足结构的正常使用及构件耐久性要求。在荷载标准组合值1.25倍时,未发现受拉主筋拉断及受压区混凝土压坏等破坏标志,可认为在标准组合值1.25倍的竖向荷载作用下,结构仍未达到承载力极限状态,满足承载力要求[2]。

2)设计改进(如图6所示)。梁跨中宽度需增加(最终将梁跨中截面宽度由500 mm修改为650 mm,双曲线弧度均修改为R=443 100 mm和R=190 033 mm)。

梁底非预应力主筋需增加(最终将梁底主筋由8根修改为10根)。

洞口周边Z形加强钢筋数量需增多(最终将850 mm×500 mm与690 mm×245 mm洞口之间的Z形加强钢筋由3根修改为6根)。

洞口底应增加附加钢筋(最终增加了洞口底部附加钢筋2根)。

洞口周边应增加防止开裂钢筋(最终增加了环绕封闭箍筋,箍筋形式同设备孔道形状,增加了洞侧小套箍筋2道)。

3.3 设计改进后的预应力梁变形试验

3.3.1 试验测量方案

模型的一层顶部楼面有两根预应力混凝土梁A-YKLS01Y,A-YLS01Y,沿预应力梁长度方向设置5个测试截面:梁2端、2个4分点和跨中,通过粘贴在梁表面的混凝土应变片测试表面混凝土的应变,通过梁主筋表面设置的钢筋应变计测量梁内钢筋的应变,通过应变和弹性模量计算相应的钢筋应力和混凝土应力,每个测试截面布置4个混凝土表面应变片,4个内部钢筋应变计,布置见图7。洞口四周每根梁布置10个混凝土表面应变片,见图8。每根预应力梁底设置5个百分表,监测梁底的竖向位移,布置如图7所示。

在预应力张拉且孔道灌浆达到强度后开始正式采取“模型屋面封闭注水”方式进行加载,设计给定荷载标准值为5.1 kN/m2,加载过程分两步:第一步先加载至荷载标准;第二步再加载至荷载标准值的1.25倍,加载过程中按设定时间间隔记录应力与变形。

3.3.2 二次试验情况

二层顶部预应力梁按照设计改进措施进行了施工,在预应力张拉且孔道灌浆达到强度后再次进行了加载试验。

1)加载至荷载标准值时情况如下:裂缝数量较少且主要为受弯裂缝,梁底裂缝宽度为0.01 mm～0.03 mm,梁底裂缝沿梁宽方向未贯通,梁上未发现斜向受剪裂缝。

梁侧面洞口周围裂缝很少,主要分布在两个大洞洞口底边及斜洞洞口的角部,斜洞洞口角部处裂缝宽度较大,最大达到了0.10 mm,裂缝由洞口向梁底沿竖向发展,洞口底边处裂缝沿梁宽度方向并未贯通(见图9,图10)。

2)加载至1.25倍荷载标准值时情况如下:主要为受弯裂缝,数量仍然较少,但裂缝宽度及长度均有所发展,宽度为0.02 mm～0.05 mm,梁底裂缝沿梁宽方向贯通,梁上未发现斜向受剪裂缝。洞口底边最大裂缝由0.10 mm发展到0.12 mm(见图11,图12)。

第二次试验的测试数据见表4,图13。

表4 挠度实测数据

3.3.3 二次测试结论

在竖向荷载标准值短期作用下,洞口底边出现的最大裂缝宽度0.1 mm,梁底受弯裂缝的宽度为0.01 mm～0.03 mm,且裂缝数量较少,满足结构的正常使用及构件耐久性要求。在1.25倍的竖向荷载标准值短期作用下,洞口底边的最大裂缝宽度达0.12 mm,梁底最大受弯裂缝宽度为0.05 mm,同时在该荷载作用下,未发现受拉主筋拉断及受压区混凝土压坏等破坏标志,可认为在1.25倍的竖向荷载标准组合值作用下,结构未达到承载力极限状态,满足承载力要求。

经过对预应力梁设计改进,预应力梁在竖向荷载标准组合值短期作用下,满足结构的正常使用及构件耐久性要求,在1.25倍的竖向荷载标准组合值短期作用下,满足承载力要求[3]。

4 预应力梁施工

4.1 工艺流程

梁支撑的搭设→梁底模安装→梁钢筋骨架绑扎→安装预应力定位支架→波纹管、垫板安装→预应力穿筋→预应力筋验收→绑扎梁非预应力筋→梁非预应力筋验收→跨中预留洞模板安装→跨中预留洞模板验收→梁侧模安装→梁模板、支撑检查验收→混凝土浇筑(留置试块)→混凝土养护→预应力筋张拉(混凝土强度达到100%)→孔道灌浆→切除多余钢绞线→混凝土封头。

4.2 主要施工技术措施

1)梁底弧度控制。为保证梁底弧度准确,现场制作等比例的定位复核支架(见图14),在搭设梁底支撑横杆时,将支架吊至相应位置,以梁跨中和跨端为标高控制点,控制标高确定后,按照支架底确定支撑横杆的标高。

2)箍筋下料成型。预应力梁的三面均为曲线,在梁的跨度方向每个箍筋均为不同尺寸型号,必须在准确翻样的基础上,分型号加工,大面积开始加工和施工前应先制作样板并进行验收(见图15,图16)。

3)预应力筋下料、固定端挤压制作及安装。预应力钢绞线下料采用砂轮机进行切割,切口与钢绞线垂直,以保证切口平顺,丝头不散,并对切头进行包裹。下好料的按规格、长度均匀码放在平坦光滑的地面,以免钢绞线打节、磨损。预应力筋使用前,用挤压机将固定端钢套筒挤压成型,并将套筒和挤压垫板连接,垫板前设螺旋筋。

4)张拉端垫板安装。预应力框架梁钢筋主筋绑扎定位后,开始进行张拉端承压垫板安装。本工程张拉端设在悬挑板下端,由于承压垫板安装在主次梁节点处,安装部位还有梁柱节点,安装时根据情况可部分调整非预应力筋位置,以保证垫板位置。

5)波纹管安装及预应力穿筋。波纹管安装前,先在框架梁内安装预应力定位支架,其间距约为1 000 mm。支架用φ12 mm直径的钢筋制作。由于非预应力筋较密,在梁腰筋绑扎前铺设波纹管,否则可能出现梁柱节点处及悬挑梁下端冲突交叉现象,导致布管困难。当预应力筋与非预应力钢筋冲突时,预应力筋优先于非预应力筋。波纹管布置完成后,随即逐一进行穿筋,穿筋前需检查预应力筋是否有破损情况。

6)混凝土浇筑及养护。预应力筋、钢绞线、波纹管完成隐蔽验收合格后方可实施封模及混凝土浇筑。由于鱼腹梁跨中设计了多个预留洞,在对预留洞模板进行支设时,必须保证洞口形状及位置准确。需特别控制混凝土浇捣过程中波纹管、锚具和承压板的保护,不得使混凝土直接冲击振动,以免造成波纹管破裂或移位。浇捣过程中重点关注张拉端、固定端、梁柱节点钢筋密集处等关键部位,确保周边混凝土密实。混凝土浇筑需留置同条件试块,认真养护,以确定张拉日期。

7)预应力筋的张拉。预应力梁张拉前对预先留置的同条件试块进行监测,确定抗压强度达到设计值100%。张拉前对每条梁分组编号、醒目标记,逐条张拉,数据与梁号一一对应,确保张拉过程受控。预应力筋张拉采用应力应变双重控制方式,以应力控制为主,以应变控制为辅。如张拉过程张拉值出现异常,预应力筋的实际伸长值超过理论伸长值±6%范围时,要立即停止张拉,待查明原因后再继续进行张拉。

8)灌浆。预应力筋张拉静置12 h,观察无异后72 h内进行孔道灌浆,以防预应力筋松弛或锈蚀。孔道灌浆料强度不低于M30级,根据天气情况水灰质量比控制在0.42～0.48之间。并掺入水泥重量10%～12%的膨胀剂,以确保孔道灌浆密实性可靠。灌浆压力0.5 MPa～0.7 MPa直至排气孔饱满和冒出浓浆为止。各孔道灌浆应一次完成,均匀缓慢稳步的进行。压浆后逐个孔道检查密实情况。

9)锚具封堵。预应力筋按设计参数张拉完成后,关闭进浆口、压浆机。切除钢绞线预应力筋多余部分,留设长度在锚具外露不小于30 mm,清除锚具周边油渍、浮浆,并依据设计内容使用混凝土封堵张拉端,确保密实。同时留存同条件砂浆试块,以判定抗压强度。

5 结语

大跨度、双曲线、异形鱼腹式预应力梁对设计及施工单位都提出了新的挑战,本工程通过对施工现场实体模型进行了两次测试,设计院通过测试结果,修改并确定了预应力梁的设计和方案。总承包商在施工过程中,通过精心组织和施工,确保了双曲线圆弧梁成型外观平整光滑,结构尺寸精确,预留设备孔道尺寸准确,形状一致,完全达到设计要求,为该工程大跨度成型效果的设计落地打下了坚实的理论和实践基础。在大跨度、异形多变形预应力梁设计、施工方面积累了数据、工艺、维护保养技术经验。