采用不同施工工艺的预应力混凝土拱板屋架受力性能研究

陈 勇

(福州市建筑科学研究所， 福建 福州 350005)

预应力混凝土拱板屋架是一种自平衡拱结构，上弦板受压为钢筋混凝土板，下弦板受拉为预应力钢筋混凝土板，连接上、下弦板的KB板起到拉杆的作用，将非预应力钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土结构良好结合在一起，结构受力合理，充分发挥了材料作用[1]。因防潮性能好而被广泛应用于南方地区的大型粮食储备库工程，福建地区粮食储备库工程于2011年开始采用该结构。

关于拱形结构的计算设计理论已较成熟，Sathiparan等[2]和危媛丞等[3]提出了拱形屋顶的加强措施及计算方法，但未考虑不同施工方法对结构受力性能的影响。Tschida等[4]提出了屋顶桁架的优化选型方法。He等[5]分析了拱形屋盖的稳定性。刘新等[6]提出了大型网架结构提升施工可靠性数值分析，相关经验可以借鉴到拱板屋架的数值分析中。目前PC拱板屋架常用的“地面制作法”对吊装施工要求高[7]，“空中原位现浇法”施工质量难以保证[8]，施工工艺对预应力混凝土拱板屋架结构受力性能的影响研究还有所欠缺，为解决PC拱板屋架的施工难题提出了一种“改进的空中原位现浇法”，并通过对典型工程的施工质量缺陷调查、有限元计算和现场荷载试验等综合分析，印证了该施工方法的有效性。

1 预应力混凝土拱板屋架结构施工方法

1.1 地面制作法

预应力混凝土拱板屋“地面制作法”即在地面预制拱板屋架，张拉预应力筋并吊装到位[7]。该方法在地面浇筑和张拉预应力，施工质量容易把控，但地面浇筑的预应力拱板屋架跨度大、质量大以及上下弦板薄，运输、吊装和就位困难。施工工艺流程见图1。地作法施工现场见图2。

图1 地面制作法施工流程

图2地面制作法施工现场

1.2 空中原位现浇法

在预制现场小甚至无场地、无大型吊机的情况下，预应力混凝土拱板屋架可选择采用“空中原位现浇法”。空中原位现浇法即通过搭设高空预制平台架，利用钢筋混凝土圈梁(经过改造)作为预应力先张法的台座浇注混凝土[8]。空中原位现浇法施工流程见图3，空中现浇法施工现场见图4。

图3 空中原位现浇法施工流程

图4空中原位现浇法施工现场

1.3 改进的空中原位现浇法

采用“空中原位现浇法”的福州某粮食储备库工程建成后，在施工质量缺陷调查中发现主要存在拱板少量混凝土密实度不够和个别屋顶圈梁位移较大等问题，分析原因主要有未设置钢管顶撑传递张拉时的不平衡力、普通振捣器肋梁混凝土无法振捣到位等。

因此，在屋顶圈梁设置钢管顶撑和中部圈梁设钢筋拉杆用螺栓连接固定形成整体，平衡预应力筋张拉时产生的不平衡力[9-10]，保证屋面圈梁位移不超过限值。

为解决肋梁混凝土无法振捣到位的问题，采用配置符合振捣要求的、直径小于30 cm的振动器，用于振捣肋梁和拱板混凝土，并用普通振捣器从梁外侧模板上配合振捣，做到不留死角，振捣均匀，不漏振、过振，并设专人进行跟踪监督，保证振捣密实度。

本文将此方法称为“改进的空中原位现浇法”。

2 预应力混凝土拱板屋架静载试验

2.1 工程概况

以一个典型预应力混凝土拱板屋架结构为例，如图5所示，跨度24 m，拱矢高2.4 m，宽度1.19 m，上弦板和下弦板的厚度均为40 mm，上弦拱为采用二次抛物线的带肋钢筋混凝土板，下弦板为带肋钢筋混凝土预应力板。连接上、下弦板的KB板采用9片40 mm厚或60 mm厚带孔钢筋混凝土。根据现场施工条件，龙岩某粮食储备库采用“地面制作法”，福州某粮食储备库采用“空中现浇法”，泉州某粮食储备库在总结福州地区经验的基础上采用“空中原位现浇法”，分三个项目进行静载试验，分析施工方法对结构受力性能的影响。

图5某预应力混凝土拱板屋架(单位：mm)

2.2 静载试验

预应力混凝土拱板屋架结构的截面几何尺寸、构件材料和施工质量应符合现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》[11](GB 50204—2015)及其它有关标准、规范的要求。

不论采取何种施工工艺，施工完成后都需要进行静载试验，以检验预应力混凝土拱板屋架能否满足正常使用荷载要求。静载试验的主要依据有设计图纸和《混凝土结构试验方法标准》[12](GB/T 50152—2012)，并需符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》[13](GB 50009—2012)、《混凝土结构设计规范》[14](GB 50010—2010)以及其它有关标准规范。

根据要求，每栋预应力混凝土拱板屋架抽取1榀拱板屋架进行静载试验。因此，采用“地面制作法”施工的龙岩某粮食储备库工程，抽取了4榀，编号为GBD-1—GBD-4；采用“空中原位现浇法”施工的福州某粮食储备库工程，抽取了5榀，编号为GBK-1—GBK-5；采用圈梁改造“改进的空中原位现浇法”施工的泉州某粮食储备库工程，抽取了5榀，编号为GBK-6—GBK-10。

预应力混凝土拱板屋架静载试验主要测试拱板屋架在各级荷载作用下的跨中挠度、裂缝情况[15]。因此，采用的仪器设备主要有：测量位移的百分表、位移计和测裂缝的裂缝测宽仪等见表1。

表1 静载试验采用的主要仪器设备

关于位移测点布置，在下弦板两侧板边支座及跨中下端位置各布置1个挠度测点，分别在两侧边肋位置和宽度中央位置。

关于试验加载，设计要求上弦板全跨加荷集度为3.0 kN/m2，下弦板中间三分之二跨长加荷集度0.5 kN/m2。实际现场加载采用同批次、同规格标准红砖，试验前实测其平均重量(1.85 kg/块～2.25 kg/块)，按照设计要求进行换算后加载。

对于采用“地面制作法”施工的预应力混凝土拱板屋架，需要制作墩支座进行现场加载。根据吊装完成后实际工作状况的支撑方式，试验墩支座用素混凝土捣制，墩支座制作和试验所在地面具有足够刚度，以满足支座沉降要求。地面制作法试件加载装置如图6所示。

图6地面制作法试件加载装置示意图

对于采用“空中原位现浇法”施工的预应力混凝土拱板屋架，直接在屋面进行原位试验，空中原位现浇法试件加载装置如图7所示。

预应力混凝土拱板屋架的板型为1 190 mm×24 000 mm，设计要求在试验荷载作用下跨中最大挠度不大于20 mm且不能出现裂缝。

图7空中原位现浇法试件加载装置示意图

3 静载试验结果与分析

3.1 有限元模型及理论挠度值

采用计算软件MIDAS/Civil建立预应力混凝土拱板屋架有限元模型，上、下拱板采用板单元模拟，KB板采用杆单元模拟，拱板与KB板直接采用铰接。拱板混凝土强度为C40，KB板混凝土强度为C40，普通钢筋采用HRB400，预应力钢筋采用fpk=1 860 MPa。有限元模型共40个板单元，18个杆单元，如图8所示。

图8预应力拱板屋架计算模型

按试验最大荷载进行分析，求得的不考虑结构自重作用的预应力混凝土拱板屋架理论挠度，如图9所示。由图9可以看出，试验荷载作用下，预应力混凝土拱板屋架计算变形曲线呈“鱼腹”型，跨中挠度最大，计算挠度值为5.82 mm，小于跨中挠度限值20 mm。

图9试验最大荷载作用下预应力拱板屋架挠度计算值(单位：mm)

3.2 静载试验实测挠度值

静载试验实测挠度值及试验现象如表2所示。由表2可以看出，采用“地面制作法”施工的四榀试件平均挠度值为6.01 mm；采用“空中现浇法”施工的五榀试件平均挠度值为9.07 mm；采用“改进的空中现浇法”施工的五榀试件平均挠度值为6.62 mm。因此，在最大试验荷载作用下，所有试件的挠度均小于跨中挠度限值20 mm，且均未出现裂缝，满足设计要求。

表2 静载试验实测挠度值及试验现象

此外，采用地面制作法，屋面圈梁位移均满足设计要求；采用空中现浇法，个别屋面圈梁位移超3.7 mm；采用改进的空中现浇法，拱板混凝土未发现不密实、蜂窝疏松现象；屋面圈梁位移最大为3.5 mm，满足设计要求。

3.3 分析与讨论

从以上的荷载试验及有限元分析可以看出：

(1) 不管采用哪种施工方法，采用有限元方法求得的理论跨中挠度均为5.82 mm。而采用不同的施工方法施工的预应力混凝土拱板屋架结构，在试验荷载作用下跨中最大挠度却是不同的。因此，需要在有限元分析中考虑不同施工方法对预应力混凝土拱板屋架结构的影响。

(2) 与采用“地面制作法”施工的预应力混凝土拱板屋架结构相比，采用“空中现浇法”施工的预应力混凝土拱板屋架结构跨中挠度约增大51%。因此，采用空间现浇法施工时，应考虑“空中原位现浇法”振捣不密实引起的刚度折减，需要在设计阶段适当增加预应力混凝土拱板屋架结构的刚度。

(3) 与采用“空中现浇法”施工的预应力混凝土拱板屋架结构相比，采用“改进的空中现浇法”施工的预应力混凝土拱板屋架结构跨中挠度约减小37%。说明采用在屋顶圈梁设置钢管顶撑等结构措施，改善薄板振捣等施工工艺，增加了预应力混凝土拱板屋架结构的刚度，达到预期目标。

4 结 论

(1) 采用“改进的空中原位现浇法”可以有效改善“地面制作法”和“空中原位现浇法”的缺点，避免混凝土密实度不够和个别屋顶圈梁位移较大等问题。

(2) 与采用“空中现浇法”施工的预应力混凝土拱板屋架结构相比，采用“改进的空中现浇法”施工的预应力混凝土拱板屋架结构跨中挠度约减小37%，满足在试验荷载作用下跨中最大挠度不大于20 mm且不能出现裂缝的要求。说明采用在屋顶圈梁设置钢管顶撑等结构措施，改善薄板振捣等施工工艺，增加了预应力混凝土拱板屋架结构的刚度。

(3) 采用不同的施工方法施工的预应力混凝土拱板屋架结构，在试验荷载作用下跨中最大挠度是不同的，需要在有限元分析中考虑不同施工方法对预应力混凝土拱板屋架结构的影响。