房建工程预应力混凝土屋面梁施工技术

刘 河

(1.中冶成都勘察研究总院有限公司，四川成都 610023; 2.中国五冶集团有限公司, 四川成都 610023)

在房建工程施工中，预应力混凝土屋面梁是一种为了减小梁体的截面高度及自重，对大跨度屋面梁提前施加预应力，用以改善大跨度混凝土梁体使用性能的工艺做法。在同跨度的屋面梁施工中，预应力混凝土梁的应用同比普通屋面梁将减少了20%以上的梁体截面及自重，可在公共建筑(学校、医院等)有大空间需求的建筑物中广泛使用。

预应力混凝土屋面梁旨在解决结构空间大、跨度大的建筑物梁体过大的情况。在国外发展迅速，在欧洲、日本及我国港澳地区、内陆沿海地区都得到了广泛的应用，历经几十年的不断发展,预应力技术已经比较成熟稳定。预应力混凝土梁的抗震性好,很多公共建筑设计要求都是8度设防，预应力梁在增加学校、医院类大空间公共建筑的梁体跨度方面具有优越性。同时类比普通混凝土梁，预应力梁的承载力、强度都有很大的提升，能够更好地保证公共建筑的安全性。但房屋建筑屋面梁中应用预应力，施工质量控制较难，技术性要求较大,施工时对HBPE波纹管预留、混凝土浇筑振捣、预应力筋张拉及孔道压浆及封锚等都要进行严格的质量把控。

1 预应力混凝土屋面梁的特点

某学校圆形报告厅预应力梁施工概况：本案例项目为一所职业中学2#楼，结构设计为圆形多媒体报告厅，报告厅由钢结构舞台、混凝土楼梯及夹层、屋面马道等组成。结构直径为35.4 m，建筑层高为16 m，内部无受力结构柱，仅由边柱与预应力梁形成框架受力体系，支撑该大空间圆形结构。本工程屋面梁设计为缓粘结预应力后张法混凝土梁，屋面梁梁体截面尺寸为500 mm×1 500 mm×35 400 mm。预应力筋直径采用标准的φ15.24 mm钢绞线、单束钢绞线面积为140 mm2，每1 m重量1.101 kg。预应力梁纵横交叉设置，预应力管道分布错位比较困难；张拉长度达到35.4 m，所以管道预留安装、预应力筋穿束、混凝土浇筑、预应力筋张拉技术、以及质量控制都是本次施工控制的重难点(图1)。

预应力屋面梁：

(1)刚度较普通钢筋混凝土梁大、承载力强、抗裂性能好。承载力计算：

轴向拉力设计值N=528.000

梁体正截面抗裂验算：裂缝宽度为0.000 mm，满足小于0.100 mm裂缝宽度验算要求。在荷载准永久组合下，受拉边缘应力σcq-σpc=-1.92≤ftk=2.39 N/mm2，构件受拉边缘应力满足要求。

(2)耐疲劳性能强：因为屋面梁具有预应力筋，在使用阶段受荷载引起的应力变化幅度相对较小，故此可以提高屋面梁的抗疲劳强度。

(3)稳定性：对梁体提前施加了预应力，可有效抵抗竖向荷载压力，梁体变形较小，提高梁体及周围板体结构的稳定性。

(4)节材环保：预应力筋采用高强钢绞线，由于提前施加预应力相对普通梁体优势较多，可以相对减少钢筋用量和梁体结构尺寸，节省钢材和混凝土，降低结构自重，对大跨度和重荷载结构有明显的优越性，尤其适用于大跨度屋面梁。

2 预应力混凝土屋面梁施工

施工工艺流程见图2。

2.1 施工准备

(1)预应力梁施工前，应对QM15-n锚具、HDPE波纹管、锚板、夹片、注浆管、溢浆管、连接器进场验收，查看合格证及相应复试报告；千斤顶及配套油泵等必须经过检测检验，合格后方可使用，且每张拉200次或间隔6个月必须重新进行校定。

(2)预应力梁张拉平台搭设必须符合要求，预应力筋张拉前必须将预应力梁混凝土养护到位，达到设计强度。

2.2 钢筋安装及管道预埋

(1)钢筋安装时提前预留好预应力筋穿管位置，按要求预留预应力筋穿管并用井字架固定牢固，防止浇筑混凝土时发生扰动，确保预应力筋穿束的曲线形状及矢高(图3)。

图3 井字架及波纹管安装示意

(2)预留有粘结预应力筋穿管为高密度聚乙烯树脂塑料波纹管，强度及性能应符合要求。张拉端与锚固端设置25 mm厚承压板、C16螺旋筋、间隔50 mm设置钢筋网片等加固措施，防止张拉时破坏梁端混凝土(图4)。

图4 锚固端及张拉端加固示意

(3)预应力筋线型控制应通过计算式y=yA/xA2·x2，按固定井字架间距提前标定好xA、yA长度，计算出线型控制点y的坐标，从而方便在施工中控制预应力梁C4线型(图5)。

图5 C4线型控制示意

2.3 混凝土强度检测

(1)预应力梁混凝土梁设计要求混凝土中不得使用任何掺加含氯离子的外加剂，因氯离子对钢绞线有一定的腐蚀作用，因此浇筑前必须对商混站进行技术交底。切断钢绞线必须使用砂轮锯等物理切割方式，用于锚具封闭保护的混凝土为C40细石混凝土，封锚后养护到设计强度。

表1 线型控制计算

(2)预应力筋张拉之前，按照深化图纸进行技术培训，现场必须进行混凝土回弹检测，保证混凝土强度不低于设计强度的百分之百。

(3)端部受压区截面尺寸验算:

局部受压面上作用的局部压力设计值Fl=1.2γ0σconAp=4640.33 kN；1.35βcβlfcAln=5443.42 kN；5443.42≥4640.33 kN，端部受压符合要求。

2.4 预应力筋安装

(1)预应力筋安装时由于梁体主筋、箍筋、抗扭钢筋的影响，可能造成预应力管道预埋发生偏差，此时应该优先保证HDPE波纹管的定位。2个方向的次梁预应力筋在跨中失高冲突时，应分主次进行微调，短跨方向可适当调整，保证长跨方向准确度。

(2)灌浆孔和排气孔布置需满足相关规范要求，泌水管在梁侧设置可兼做注浆管。

2.5 预应力筋张拉

(1)预应力筋张拉提前进行深化设计，2号楼圆形报告厅位置从梁侧次梁开始，每根张拉一道，对称循环张拉完毕。次梁张拉完毕后进行主梁张拉，最终一次性张拉完成。张拉平台应在方案中明确做法，保证张拉安全。

(2)此案例2号楼屋面梁梁体最大跨度为35.4 m，采用分段张拉做法；预应力控制为1 860×0.75，不得超过1 395 MPa，每根梁均有2束预应力筋，每束预应力筋有4根、7根、9根及13根等规格。

(3)通过计算式ΔL=PpL/ApEp、Pp=P[1-e-(kx+μθ) ]/(kx+μθ)、Ap=Pe-(kx+μθ)，计算出预应力筋的理论伸长量，其中Fptk=1860 N/mm2、Nk(N)=1860 N/mm2×0.75=1395 N/mm2、Ap=140 mm2、Ep=195 000 N/mm2、k=0.0015、μ=0.2。张拉预应力筋的实际伸长值不得超过理论伸长值±6%范围，若超出规范范围则应停止张拉，及时进行现场勘察，找出影响预应力筋张拉的因素，解决后方可继续张拉。

(4)预应力损失计算

张拉控制应力:σcon=1395.00 N/mm2

张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失：σl1=0.00 N/mm2

预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失：σl2=87.06 N/mm2

预应力钢筋的应力松弛引起的应力损失：σl4=48.83 N/mm2

由于混凝土的收缩徐变引起的预应力损失：σl5=68.38 N/mm2

用螺旋式预应力钢筋的环形构件的预应力损失：σl6=30.00 N/mm2

第一阶段预应力损失：σ1=87.06 N/mm2

第二阶段预应力损失：σ2=147.21 N/mm2

总预应力损失：σl=σ1+σ2=234.26 N/mm2

(5)预应力筋每次张拉完成后应观察钢绞线的锚固情况，不得少于12 h，无异常后方可进行水泥浆孔道灌浆作业(图6、图7)。

图6 纵横交叉节点

图7 预应力筋纵横交错布置示意

2.6 灌浆

(1)在张拉完成后2天内一次完成预应力筋孔道灌浆，注浆时应保持匀速、缓慢，不得压力过大，灌浆中途不得停顿，溢浆孔冒出浓浆后观察10～20 s，稳定溢浆后方可停止。

(2)水泥等级：不小于P.O42.5级，水泥种类：硅酸盐水泥；水泥浆制作时提前进行配合比计算，水灰比应严格控制，在0.4～0.45之间，28天后水泥浆预留试块强度检测应不低于40 MPa。

2.7 封锚

(1)封锚前预应力筋不可使用电弧切割，防止预应力筋淬火，应使用物理切割方法。

(2)切除多余预应力筋，外露筋长度控制在3 cm以内。

3 预应力混凝土屋面梁技术措施

(1)预留波纹管孔道位置必须定位准确，按照深化图纸要求，线型为C4线型，反弯点位置应现场测量。每根管道沿长度方向每隔500～1 000 mm设置井字形定位钢筋，定位筋焊接在主筋上，管道偏差纵向应不大于1 cm，横向控制在0.5 cm 以内。

(2)预应力梁排气孔应设置在孔道最高位置，孔径8～10 mm，灌浆孔宜设置在下方，孔径25 mm。

(4)预应力张拉顺序：0→0.1δcom→0.5δcom(回油，释放千斤顶)→1.0δcom，每级张拉均应持荷180 s。

4 预应力混凝土屋面梁质量控制措施

(1)张拉前对屋面预应力梁进行强度回弹检测，在监理单位见证下按照回弹检测要求，回弹检测16点，去掉最高值、最低值各3点，剩余10点计算平均值，要求回弹检测强度不低于C40。张拉主要以油泵读数显示计算应力来控制。

(2)在施工过程中，振动棒接触预埋波纹管、工人操作不当等都有可能造成波纹管破损，破损的波纹管浇筑混凝土时易造成混凝土流入管内，凝固后钢绞线无法张拉。处理方法应通过导向球来回穿插，使管道内混凝土破坏后排出管道。

(3)张拉过程中应先给钢绞线一个初应力，使钢绞线拉紧受力，然后再将油泵回油，调整油表归零，这样可以使实测伸长量更趋近于理论伸长量。

(4)张拉过程中还应随时关注梁端混凝土是否出现破损裂缝、观察夹片、锚具、钢绞线等是否正常，施工工人应站在侧面防止千斤顶弹射或钢绞线断裂伤人。

5 总结

本屋面梁预应力混凝土施工，提前进行深化设计，计算C4线型曲线控制，现场施工时严格按照深化设计要求进行波纹管预留、预应力筋穿束、锚固端与张拉端加固、混凝土浇筑振捣、以及后续的张拉及封锚。最后安装轴力计来检测预应力是否损失。

施工以技术先行、深化设计及方案作为施工依据，在各单位紧密配合及支持下，大跨度无柱预应力混凝土屋面梁严格按照深化图纸及设计要求顺利张拉完成。