多层不等跨连续预应力混凝土框架梁施工技术研究

王佳贵

(中铁十九局集团有限公司 北京 100176)

1 引言

由于预应力混凝土框架梁技术的特点，在许多工业建筑中可减轻结构自重、形成较大建筑空间，既满足了建筑物的内柱少、建筑平面布置灵活等要求，又可达到减少梁截面高度、解决配筋过多的缺点[1]，有效控制使用条件下的裂缝和挠度[2]。本文主要研究多层不等跨连续预应力混凝土框架梁施工过程中和运营过程中预应力的变形荷载、预应力施工技术、质量控制措施，防止在预应力张拉后造成框架柱变形及结构板起拱开裂。

2 工程概况

重庆火车北站综合交通枢纽工程集铁路、长途、公交、轨道、出租及社会车辆等多种交通设施为一体，建筑总面积248 393 m2，地上5层，地下五层。地下空间大跨度框架梁多采用有粘结预应力技术。不等跨连续预应力混凝土框架梁共147座，分为两层，梁体混凝土等级为C40，1 860级φs15.24高强低松弛钢绞线，fptk＝1 860 MPa，弹性模量Es＝1.95×105MPa，直径d＝15.24 mm，单根截面面积为140 mm2。下面以负三层C-37～C-41不等跨连续预应力混凝土框架梁为研究对象，对其预应力施工过程进行施工设计与监测研究(见图1)。

图1 C-(37～41)轴预应力筋布置图

2.1 基本参数

结构体系主、次梁布置为:主梁施加预应力，次梁不施加。预应力筋按三束设置，按照正反抛物线与直线形混合连续布置[3]。先用金属波纹管留孔、后穿钢绞线的后张拉预应力方式，预应力筋张拉端采用夹片单(群)锚，锚固端采用挤压锚。锚具采用OVM锚具系列，两端张拉，张拉端分别设在梁的两端[4]。 控制应力:σcon＝0.75×fptk＝1 395 MPa。

2.2 设计荷载

作用在预应力梁上的恒荷载包括[5]:梁体自重、楼板、次梁重、楼层装修自重、粉刷及吊顶等；活荷载主要考虑按人流较大的情况下采用3.5 kN/m2。

3 预应力梁张拉控制力施工设计

结构受力分析计算时取连续三跨作为一个计算单元，按三跨连续梁考虑。同时，在框架柱支座处，梁截面按矩形设计考虑。在跨中区域，楼板视为框架梁的翼缘板来参与受力分析，此处梁截面按T形计算。

预应力梁张拉控制力施工设计是张拉前进行预应力筋张拉力施工的关键[6]，该值的大小会直接影响预应力施加效果。张拉力设计合理，保证满足梁体的抗裂性，同时会防止过大的张拉力造成梁体上拱过大或相连楼板出现裂缝。过小的张拉力造成预应力未按设计建立，从而使得梁体可能过早出现裂缝[7]。因此设计图纸上明确标明张拉力大小及控制限值。张拉控制应力限值一般取0.75fptk(fptk为预应力钢筋强度标准值)[8]。

由于受两端非预应力梁、框架柱及两侧相连顶板三方向限制，为达到在预应力张拉后建立的设计所要求的预应力值，在施加预应力前根据现场实际情况进行预应力梁张拉力施工设计。同时要求部分抵消由于应力松弛、叠层摩擦、预应力筋分批张拉以及弹性压缩损失等，因此实际张拉控制应力取值提高0.05fptk，按0.8fptk取值。

4 预应力梁施工方案设计

4.1 预应力梁模板支撑体系设计

不同规格预应力梁的支架均应满足支撑体系的承载能力、刚度和稳定性，支架间距布置要满足模板施工专项方案要求，能够承受施工过程中可能出现的最大荷载，并经过预压试验消除支架变形量。同时按最大荷载要求进行预应力结构安全专项方案审查，确保结构安全。

根据张拉施工技术及工期要求，预应力混凝土梁的支撑体系应与次梁、板的支撑体系相互分开，但在张拉前应通过短钢管及卡扣使其成为一体，以增强支撑体系的稳定性和整体刚度。按技术要求在张拉前应拆除与预应力混凝土梁相连的底、侧模板和板底支撑系统，保持预应力混凝土梁底模板和梁的支撑系统。

预应力张拉完成、灌浆浆体强度达到60%强度以后，方可拆除板预应力梁的支撑体系。为加快模板及支架的周转，在梁端处采用预留张拉槽的方式加快非预应力区梁板的模板与支架拆除。

预应力梁两侧模板可先进行一侧的封模，在波纹管固定、穿束并验收后进行另一侧模板的封模安装。

梁端模板使用木模板现场拼制，预应力锚垫板提前固定在模板上。核查预应力梁普通钢筋、模板和波纹管位置、方向，准确无误后，进行梁端模安装。

4.2 预应力梁普通钢筋的铺设及绑扎要求

一般情况下在预应力梁普通钢筋绑扎完成上下层主筋和各肢箍后，即可以穿插进行预应力筋的制作安装。由于本工程梁截面尺寸较大，所以梁、板底模分开进行铺设，以便穿波纹管。框架梁应先绑扎纵向钢筋及箍筋。吊筋可依据波纹管调整位置或设在无波纹管穿过的箍筋空间内，拉接筋待预应力筋安装完毕后再进行安装。

钢筋绑扎时，当非预应力筋与预应力筋布置发生矛盾时，可调整非预应力位置，以确保预应力的位置和形状。端头非预应力筋较多，确有困难时应与设计人员商量后确定。

梁端支座处端部锚固筋、加强筋较密，锚垫板、螺旋筋的安装可能比较困难，应对普通钢筋进行事先排列，同时必须保证与孔道垂直。梁端的锚固筋锚固长度如妨碍张拉端布置，可进行必要移位或调整锚固方向。

当预应力梁跨越后浇带或分段施工时，由于预应力施工的特殊性，整道预应力梁的非预应力钢筋应一次全部绑完，待后浇带或下一段施工完成后才可进行预应力张拉施工。

4.3 预应力铺设方式设计

预应力筋的铺设在本工程中采取先铺设波纹管再穿束的方式，穿束完成全部检查合格后封单侧模板的施工顺序。

波纹管设置要求:本工程设计图纸要求次梁10孔采用内径φ90 mm波纹管，主梁15孔采用内径φ100 mm金属波纹管，接头管采用内径95 mm和105 mm的金属波纹管。接头处要采用塑料胶带进行密封缠绕，防止混凝土浇筑时混凝土浆进入波纹管，影响预应力筋的张拉。

波纹管的固定:波纹管的固定采用点焊小横筋加箍方式或底部马凳筋两种方法。依据设计曲线，计算出固定点相对坐标，经审核无误后在模板或主筋上定出水平尺寸，把竖向坐标标在箍筋上，若此处没有箍筋可在相邻箍筋上标定。马凳筋应根据图纸所示的预应力筋中线，用距板底的矢高减去预应力筋半径进行设计制作。在板底钢筋绑扎完成后，按照预应力筋矢高定位点的位置，把相应的马凳筋安装稳固。加固点间距应满足设计要求，防止波纹管横纵向位移。

从梁侧看，波纹管曲线应平滑连续。波纹管安装就位过程中，在调整角度时不得反复弯曲，防止管壁开裂。同时还应防止焊接作业时焊花烧伤管壁。

预应力筋穿束:钢绞线采用人工整束穿束法。穿束前先将钢绞线端部与牵引绳捆扎结实牢靠，钢绞线束端部用胶布包紧，钢绞线束中间捆扎采用钢丝，接扣向内，防止划伤波纹管，然后把钢绞线从波纹管一端穿至另一端。采用两端张拉的预应力束，当穿进困难时不能硬顶，防止波纹管被顶破，此时应将钢绞线束往复轻抽、轻推、慢转，必要时应检查波纹管是否通顺。穿束后对端模外钢绞线应进行保护，在钢绞线外封闭包扎油布筒，前端用胶布封闭。在穿束完成后应对波纹管进行检查，若发现破洞等现象应及时进行封闭处理。

5 预应力与伸长值双控监测的二次超张拉方法

预应力与伸长值双控监测:预应力张拉时在严格控制张拉力的同时，通过伸长值的校核，可以监测出张拉力是否满足设计要求、孔道摩阻系数采用是否合理。

二次超张拉方法[9]:超张拉的目的是减少预应力损失，包括预应力筋锚固损失、预应力筋与孔道壁及在转向装置处摩擦引起的预应力损失、预应力筋应力松弛损失。第一次在超张拉时已抵消一部分松弛应力损失，所以在第二次张拉时，主要是抵消预应力筋的锚固损失。

张拉顺序:为保证结构在施工过程中不出现收缩裂缝及对梁有效地施加预应力，根据后浇带的留设位置及封闭顺序分段锚固预应力筋，以便在后浇带封闭之前张拉一部分预应力束。既能保证结构能有效地建立起预应力，又能减少模板的占用时间，加快施工速度。张拉顺序按施工图要求采用分区分块进行；以结构缝或后浇带为分界，由两侧向中间依次进行张拉。先张拉框架梁，后张拉次梁。框架梁和次梁均按顺序逐根张拉。

预应力筋应按左右对称的顺序进行张拉或多台设置同时张拉。张拉完毕后，应检查端部和其他部位是否有裂缝，并填写张拉记录表。

张拉方法:首先调整初应力，之后第一次超张拉达到1.05～1.1σcon。在此应力下持荷2～5 min，卸荷至零，然后第二次张拉至σcon。

5.1 伸长值的理论计算

依据《建筑施工手册》计算方法，针对正反抛物线与直线形预应力筋伸长值的理论计算应该分段计算，然后再叠加。

式中，Li为第i段预应力筋长度；δi1、δi2分别为第i段两端预应力筋的应力；Es为预应力筋的弹性模量。

5.2 实际操作与伸长值对比分析

实际张拉方式:第一次张拉10.5σcon持荷2 min，卸荷至零，第二次张拉至σcon。

预应力筋实际伸长值的测量，采用量测钢绞线绝对伸长值的方法。通过表1可以看出，在依据现场实际取定的张拉控制力作用下，实际伸长值百分比均在±6%之内，符合规范要求。

6 预应力框架梁应力监测

框架梁采用预应力技术[10]，其目的是对框架梁体混凝土受拉区预先在外力作用下建立起预压应力，以抵抗大跨度或重荷载在混凝土结构中的效应。因此，对预应力框架梁应力监测是评价预应力施工质量的关键。目前，国内外预应力监测方法主要有锚端测量[11]、混凝土压应变间接测试法、无损超声波检测法。本工程采用振弦式应变计通过混凝土压应变间接测试法进行分阶段监测。

表1 负二层C-37至C-41梁段张拉控制结果

6.1 测试点的布置与应变计安装

测试点选择在下层预应力梁的受拉区和受压区，具体布置见图1。

应变计安装:(1)梁侧模拆除后将图示标定安装位置打磨清理干净；(2)采用胶粘方式安装应变计基座；(3)基座检查合格后安装应变计。

6.2 数据采集

数据采集分三个阶段进行，即张拉后、灌浆后、上层梁混凝土浇筑后。

6.3 数据对比分析

从表2可以看出，各阶段预应力筋有效应力实测值与设计值吻合较好，张拉后和灌浆后预应力筋有效应力略小于设计值。随设计荷载的增加及时间的推移(上层梁浇筑完约在灌浆后1个月的时间)，预应力筋有效应力满足设计要求且处于稳定状态。

表2 不同阶段实测值与设计值对比MPa

7 结论

本工程不等跨连续预应力框架梁通过设计阶段的验算推理及施工阶段的控制与监测，与预应力梁对应的框架柱未出现变形倾斜，与梁体相连接的楼层板上拱度也在可控范围内，没有较大裂缝出现，预应力施工质量可控。同时通过试验及数值分析，依据多层不等跨连续预应力混凝土框架梁的结构特点、受力特征和预应力的分布规律，制定了一套防止在预应力张拉后造成框架柱变形及板起拱开裂的施工方法和工艺。通过张拉伸长值测量及测试取得的数据与理论分析，得出如下结论:

(1)多层不等跨等截面连续预应力混凝土框架梁由于受两端非预应力梁、框架柱及两侧相连顶板三方向限制，张拉控制应力取值应提高0.05fptk，按0.8fptk取值。

(2)通过双重控制的二次超张拉方法减小预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失，同时确保了预应力筋的有效应力满足设计要求[12]。