预应力混凝土折梁在坡面屋顶施工中的应用研究

吕斐

（山西三建集团有限公司，山西长治 046000）

0 引言

构成坡面屋顶的结构除折板外还包括斜墙、折梁等，在具体施工期间，应根据实际案例概况确定坡面屋顶预应力混凝土折梁构造，合理选择折梁材料，精细化确定折梁结构参数，以此方可保障折梁结构与工程建筑坡面屋顶结构的协调性。对于坡面屋顶而言，折梁结构起到支撑效果，若折梁施工不当，则会大幅降低建筑屋顶结构稳定性，因此，围绕预应力混凝土折梁展开研究具有较强现实意义。

1 工程概况

为增强本次坡面屋顶预应力混凝土折梁施工以研究的针对性，选取某体育馆工程项目为实例进行具体研究分析。该体育馆为框架结构，地上一层，屋顶为双坡式坡屋面，以50 年为设计使用年限，当地为八度抗震防烈度，施工期间以此为标准设计体育馆坡面屋顶防震参数，设计地震分组为第三组、特征周期为0.45s、设计地震加速度为0.2g、框架抗震等级为一级。体育馆建筑长向尺寸与短向尺寸分别为45.9m、32.4m，为保障体育馆屋顶所构成的空间结构能够符合标准，并满足体育馆屋顶结构变形与裂缝要求，选用预应力混凝土折梁作为该体育馆坡面屋顶的主要结构之一，按照案例体育馆建筑建设情况来看，其预应力混凝土折梁跨度最终为32.4m。

2 基于工程实例的坡面屋顶预应力混凝土折梁结构设计

2.1 材料选择

案例体育馆建筑工程项目以21.99mm 直径的钢绞线为预应力筋，重量共计2.95kg/m，抗拉强度标准值、预应力筋抗拉强度设计值分别为1860MPa、1320MPa，单束截面面积与弹性模量分别为313mm、195GPa，预应力筋采用一端张拉方式，其中张拉端、固定端分别采用夹片锚、挤压锚，除此之外，体育馆建筑坡面屋顶预应力筋的张拉控制力应为抗拉强度标准值的3/4，即1395MPa，所采用的混凝土材料以C40 为强度等级，混凝土抗拉强度、混凝土轴心抗压强度设计值、混凝土受压弹性模量分别为1.7N/mm2、19.1N/mm2、3.25×104N/mm2，而对于非预应力普通钢筋，则选用HRB400等级的钢筋材料，其钢筋抗拉强度设计值、钢筋弹性模量分别为360N/mm2、2×105N/mm2。

2.2 截面估算

在案例体育馆建筑坡面屋顶结构中，以矩形截面为梁截面，以32.4m 为体育馆坡面屋顶预应力混凝土折梁跨度，该跨度参数较大，且存在较重屋面荷载，因此，为保障结构稳定性与安全性，基于实践经验与行业规范，将跨高比、梁截面高度分别设计为1/20、1.7m，结合体育馆建筑坡面屋顶结构折截面高宽比而综合考虑张拉要求及预应力筋布置情况，最终将折梁截面宽度设计为40cm。

2.3 计算内力

为精准了解案例体育馆建筑坡面屋顶折梁结构整体内力分布情况而引入了PKPM 建筑工程软件，借助该软件展开结构内力分析，所得预应力混凝土折梁的内力参数如表1 所示。

表1 预应力混凝土折梁的内力参数

2.4 方案比选

2.4.1 配筋方案

案例体育馆建筑坡面屋顶结构设计期间，为最大限度提高坡面屋顶折梁结构设计与施工效果，共设计两种混凝土折梁配筋方案。方案1 仅配置普通钢筋，并未应用预应力钢筋，在小跨度梁场景中更为适用。方案2是指在配置普通钢筋基础上加设预应力钢筋，该方案成本高于方案1，但在大跨度梁场景能够发挥出更好效果。为保障该体育馆建筑坡面屋顶折梁结构施工质量，对两个方案进行对比选择，从多个角度展开方案比选分析，对普通钢筋、预应力筋精细化配置，机构方案比选后最终选用方案2，于体育馆建筑坡面屋顶混凝土折梁结构中增设预应力筋，共计8 根。在后续施工期间，则以受力结构为依据合理摆放施工锚具，精准配置预应力筋，以此保障预应力混凝土折梁结构设计与施工科学性，提升体育馆坡面屋顶结构稳定性与安全性[1]。

2.4.2 验算裂缝

案例体育馆建筑坡面屋顶结构折梁跨度较大，为32.4m，为保障折梁结构配置效果，对两种配筋方案进行对比选择，在对比期间，将跨中折算配筋率、支座折算配筋率分别设计为2.5%、2.0%，对折梁所产生的缝隙宽度进行对比，经验算对比发现，方案1 与方案2 所形成的折梁裂缝宽度分别为0.39mm、0.089mm。案例体育馆工程项目按三级裂缝等级进行控制，要求折梁结果的裂缝宽度最大值不可超过0.1mm，但结合上述裂缝验算结果发现，仅配置普通钢筋的方案1 所产生的裂缝宽度偏大，为0.39mm，已超过体育馆工程项目施工标准，不符合要求。而方案2 不仅应用了普通钢筋，还引入了预应力钢筋，在两种钢筋的协同作用下，最终所形成的折梁结构裂缝宽度较小，仅为0.089mm，低于0.1mm 的裂缝宽度限值，符合要求，因此，从裂缝角度来看，方案2 优于方案1。

2.4.3 变形验算

将跨中折算配筋率、支座折算配筋率分别设计为2.5%、2.0%，对方案1 与方案2 所形成的最大变形值进行对比分析。经验算后发现，仅配置普通钢筋的方案1、方案2 所产生的变形最大值分别为175mm、152mm。结合该变形验算结果不难看出，两种方案在体育馆坡面屋顶结构中不可避免地会出现变形情况，但两种方案所出现的变形程度存在差异，方案1 的最大变形值明显高于方案2，因此，从变形程度来看，方案2 更为适用。

2.4.4 承载验算

对案例体育馆建筑坡面屋顶结构的折梁跨中折算配筋率、支座折算配筋率进行控制，分别将其控制为2.5%、2.0%。在此基础上，运用折梁抵抗弯矩（Mu）与折梁极限组合弯矩（M）之间的比值而对比分析两种方案的抗弯承载力。将折梁抵抗弯矩（Mu）与折梁极限组合弯矩（M）之间的比值记为“Mu/M”，对方案1 与方案2的折梁结构Mu/M 值进行对比验算。发现在方案1 状态下，折梁的左支座、右支座、跨中位置的Mu/M 值分别为0.9、0.9、1.13；在方案2 状态下，折梁的左支座Mu/M 值为1.22，右支座的Mu/M 值为1.22，跨中位置的Mu/M值为1.09。结合上述承载力验算结果可见，若选用方案1，则体育馆建筑坡面屋顶折梁支座去位置的Mu/M 值低于1，这就意味着抵抗弯矩低于弯矩值，该折梁结构存在安全隐患。而选用方案2 同时应用预应力钢筋与普通钢筋时，此时无论是跨中还是支座结构，其Mu/M值均符合要求，即大于1，抵抗弯矩大于弯矩值，意味着体育馆坡面屋顶折梁结构安全稳定[2]。

经综合对比后不难看出，预应力钢筋配置后能够大幅提升坡面屋顶折梁结构承载性能，除此之外，若选用方案1，为保障折梁结构质量，需提升普通钢筋配筋率，但钢筋配筋率过高不利于实际施工，导致钢筋间距过小。而按照相等要求进行方案2 施工时，则所配置的钢筋排数较小，不仅可表现出优异的承载性能，还不会对钢筋间距产生负面影响，因此，通过综合选择，选用方案2 进行体育馆坡面屋顶折梁施工。

3 坡面屋顶预应力混凝土折梁施工技术应用

经方案比选与科学设计后，案例体育馆建筑工程项目决定采用预应力混凝土折梁结构坡面屋顶进行施工。以下从多个角度分析坡面屋顶预应力混凝土折梁施工技术的具体应用情况。

3.1 前期施工准备

为保障预应力混凝土折梁在坡面屋顶施工技术应用效果，在正式施工之前，应做好前期施工准备工作。

（1）技术交底。以预应力混凝土折梁结构设计方案及施工计划为依据组织技术交底会议，对折梁施工技术重难点加以强调，使施工人员加强对预应力混凝土折梁施工技术的重视，继而起到提高施工质量的效果。依照技术专业的不同，做好各岗位的岗前培训工作，保证现场施工人员能够对重难点施工对策应知尽知。

（2）机械核查。于施工之前注意检查材料设备配备情况。在预应力混凝土折梁施工期间，需运用大型吊装设备进行安装，为避免出现安全事故，需于施工之前全面检查机械设备综合性能，并增设试运行环节，用于检验机械设备运行效果，确定机械设备无运行隐患后方可将其投入至实际施工中。

（3）安全教育。相较于其他分项工程，折梁施工复杂程度较高，安全系数较大，在安全生产基本国策指导下，案例工程项目在坡面屋顶施工之前组织了安全教育工作，不仅强调预应力混凝土折梁施工技术安全要点，还总结类似工程的安全事故案例，起到警醒作用，并带领施工人员全面检查安全帽等安全防护设备，将安全理念全面渗透到实际施工中。

3.2 材料强度检测

在坡面屋顶预应力混凝土折梁施工之前，注意检查混凝土材料及结构强度，要求混凝土材料不可掺加含有氯离子的不合规材料，以免氯离子对预应力钢筋起到腐蚀效果，此时则需于折梁施工前运用实验室法（电位法、硝酸银喷涂法、化学滴定法等）检验混凝土材料氯离子含量，从材料质量角度保障预应力混凝土结构质量。在此基础上检查钢筋外观，运用万能试验机检验钢筋材料的抗拉强度，借助标准秤检验钢筋单位重量，注意控制重量负差。

3.3 预应力钢筋安装

按照施工要求搭设预应力张拉平台，为后续预应力筋张拉奠定基础。

（1）对预应力钢筋进行切断处理时，结合现场情况进行物理切割，灵活运用砂轮锯等工具设备。

（2）在具体预应力筋施工期间受到抗扭钢筋、箍筋、梁体主筋等干扰可能出现预应力管道设置偏差问题，因此，施工过程中需注意控制次梁预应力筋点位，结合钢筋结构主次及结构具体情况适当微调短跨方向，用于提升预应力筋长跨方向精准性。

（3）对坡面屋顶折梁结构预应力筋进行张拉施工时，注意验算应力参数，综合考虑多种要素而精准确定张拉预应力筋应力，以此确保预应力筋张拉符合施工要求。

（4）为最大限度保障预应力筋张拉质量，应于施工期深化设计，从次梁开始逐步张拉，循环张拉完毕后整体性检查预应力筋张拉效果，若发现缺陷及时调整，完成次梁张拉后展开主梁张拉，通过一次性张拉施工而保障最终折梁施工质量，在张拉平台作用下而实现安全施工[3]。

3.4 张拉灌浆施工

按照施工规范完成体育馆坡面屋顶混凝土折梁预应力筋张拉作业后，以2d 为间隔进行预应力筋孔道灌浆作业，要求预应力筋孔道灌浆施工期间保持匀速状态，对注浆压力精细化控制，且要求一次注浆完成，非必要情况不可中断注浆作业。若出现孔道溢浆现象，需注意观察浓浆状态，待溢浆稳定后则可停止注浆。预应力筋孔道灌浆浆液采用硅酸盐水泥，等级不可低于P.O 42.5，并于施工期间注意控制水泥浆配合比，将水灰比参数控制在0.4～0.45，完成灌浆作业后计算28d 强度，确认强度符合标准后则可进入下一道工序。经灌浆养护后预应力混凝土折梁结构强度已符合要求，此时需借助物理切割方式进行预应力筋处理，不可电弧切割而引发淬火现象，将多余预应力筋切除处理，要求外露钢筋低于3cm，随后进行封锚即可[4]。除此之外，案例体育馆坡面屋顶折梁施工采用C40 强度等级的混凝土材料，将锚具封闭埋设至混凝土结构中后落实养护措施，用于确保混凝土结构强度达标。根据预应力混凝土折梁结果特征设定质量检查点位，对整个预应力混凝土折梁结构强度进行检测，并组织回弹检测作业，最大限度保障混凝土结构质量，提升坡面屋顶结构整体施工效果。

由上述内容可知，坡面屋顶预应力混凝土折梁技术各工序之间具有环环相扣的特点，因此在对技术工艺质量进行管控时，还建立了严格的“三检”制度。“一检”：由该工序施工人员对工序质量进行自查自纠；“二检”：主要负责人员进行抽查，并如实记录工况质量；“三检”：引入第三方检测机构，提供相应的技术指导，并对工序质量进行评定。待工序完成检测合格以后，方可进入下一工序之中。同时，在施工时严格落实了岗位责任制，考核指标与岗前培训内容相辅相成，当出现问题以后加大对问题主体的追责，以便全面把控施工技术质量，减少施工风险的出现[5]。

4 结语

综上所述，案例体育馆坡面屋顶施工期间，共设计了两种折梁方案，方案1 仅配置普通钢筋，而方案2 则在配置普通钢筋基础上加设预应力钢筋，由此形成预应力混凝土折梁结构，经综合对比后选用预应力混凝土折梁结构展开施工。在具体施工期间，从技术交底、机械核查、安全教育3 个方面做好前期施工准备工作，对关键性材料（混凝土、钢筋材料）强度进行检查，安装与配置预应力钢筋，展开张拉灌浆施工作业，落实质量控制措施，以此保障坡面屋顶预应力混凝土折梁的施工质量。