雙向預應力結(jié)構(gòu)設計施工

1、雙向預應力混凝土結(jié)構(gòu)的設計與施工李偉興（同濟大學建筑設計研究院 上海200092）提要 針對雙向預應力混凝土結(jié)構(gòu)中各向預應力筋交叉問題，建議了判別相交的方法，提出有粘結(jié)筋與無粘結(jié)筋混合布筋方案，并對施工工藝和構(gòu)造處理提出了合理建議，可供工程技術人員參考。關鍵詞 雙向結(jié)構(gòu), 預應力混凝土, 設計施工雙向預應力混凝土結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)由于預應力構(gòu)件雙向交叉，不同方向的預應力筋（或波紋管）在梁系交叉點處交錯疊放，甚至可能相交，這是設計與施工中面臨的一個突出問題，設計人員應該在初步設計階段對此作詳盡的考慮。本文針對此問題進行了專門探討。1 判斷是否相交的方法在結(jié)構(gòu)設計階段，設計人員往往注重于結(jié)構(gòu)的力學分析，

2、而可能忽視施工中存在的一些困難。雙向預應力混凝土結(jié)構(gòu)中的預應力束通常為雙向曲線束，有時同一根梁中就有多排預應力束，因此不同方向的預應力筋（或波紋管）在梁系交叉點處可能發(fā)生相交的情況，這個問題在設計階段如果未能詳盡考慮，將導致隨后的預應力施工無法實現(xiàn)。文獻1給出了一種判斷雙向結(jié)構(gòu)的預應力筋在梁系交叉點處是否相交的實用方法，并根據(jù)這一方法編制了計算程序，在此對其基本思路及計算方法做一簡單介紹。 圖1 雙向結(jié)構(gòu)平面示意 圖2 平面交叉梁系（1）給梁和各預應力索編號（如圖1），編號原則：先從左到右然后再從下到上；確定梁的兩端坐標，梁上的索數(shù)及索號，預應力索的類型數(shù)、各類型的定位參數(shù)以及各類型包括的索數(shù)

3、和索號，相交條件參數(shù)等。（2）計算直線梁的方程及總體坐標下梁系交叉點的坐標（i）兩端坐標為的直線梁方程可以表述為： （1）若，否則，；（ii）如圖2所示，不平行的兩直線梁的交點坐標為： ， （2）（3）如圖2所示，在各梁的局部坐標下x向坐標可以通過下面的公式求得： （3） （4）其中，（）為第i號梁端的坐標，（）為第j號梁端的坐標。（4）由梁上索號推算出索的交點、各向索的索號及計算各梁系交叉點上各索的局部坐標yi和yj，并判斷是否真正相交。（i）由已知的xi和xj，計算yi和yj；（ii）根據(jù)下式判斷兩預應力索是否在梁系交叉點處是否相交： （5）其中，為第k個梁系交叉點上兩預應力索的相交判斷條

4、件，如對于波紋管為兩波紋管的半徑之和加上一個工作間隙。如果式（5）成立則相交，否則不相交。（5）在上面給出的雙向井字梁判斷方法的基礎上，經(jīng)過多重循環(huán)即可判斷多向預應力構(gòu)件的預應力筋在梁系交叉點處是否相交。文獻1給出的線形相交判斷方法，僅是解決了一個預應力筋幾何線形問題，而對于如何調(diào)整預應力筋線形在以避免其相交的同時獲得最大的預應力效應，則是一個非常復雜的但又值得進一步研究的問題。2 有粘結(jié)與無粘結(jié)混合配筋的布筋方案在判斷各方向梁之間的相交情況后，設計者必須對預應力筋線形和數(shù)量進行調(diào)整，再進行試算。但對于雙向結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格數(shù)較多的情況下，調(diào)整布筋方案有時只能減少相交情況發(fā)生，卻很難保證每個交叉點都不

5、相交。這是因為預應力筋的線形方程隨著某一點的矢高調(diào)整而整體改變，隨之又可能發(fā)生新的相交情況。針對這一突出問題，結(jié)合目前已有的一些研究資料，筆者提出有粘結(jié)與無粘結(jié)混合配筋的方法。我們知道，在部分預應力混凝土結(jié)構(gòu)中，有粘結(jié)部分預應力結(jié)構(gòu)已在地震區(qū)逐步推廣應用，無粘結(jié)預應力結(jié)構(gòu)在地震區(qū)主要用于多、高層建筑分散配筋的樓蓋和屋蓋，而對集中配筋的主要承重構(gòu)件（例如框架梁、轉(zhuǎn)換大梁等）采用無粘結(jié)預應力結(jié)構(gòu)一般持謹慎的態(tài)度。但是，無粘結(jié)預應力結(jié)構(gòu)具有施工方便、工序少、摩擦損失小、端部構(gòu)造簡單等優(yōu)點，很受工程界歡迎。研究表明，采用有粘結(jié)預應力筋和無粘結(jié)預應力筋混合配筋的預應力混凝土，其延性及抗震性能介于有粘結(jié)部

6、分預應力混凝土結(jié)構(gòu)和無粘結(jié)部分預應力混凝土結(jié)構(gòu)之間，是良好的，可以滿足地震區(qū)對預應力混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的要求2。(a)有粘結(jié)預應力束配筋 (b)有粘無粘預應力束混合配筋圖3 不同配筋方案的矢高變化在雙向預應力混凝土結(jié)構(gòu)中一般采用有粘結(jié)的結(jié)構(gòu)方案（尤其是在地震區(qū)），有粘結(jié)預應力束由多根預應力筋集中布置于孔道中，因此孔道直徑較大，很容易發(fā)生各向預應力束相交的問題。而無粘結(jié)預應力筋是單根獨立成束，即使發(fā)生相交，也容易調(diào)整。所以，當雙向有粘結(jié)預應力束發(fā)生相交時，可以將一部分有粘結(jié)預應力束改為無粘結(jié)預應力筋，并在保持預應力束的形心線線形方程不變的條件下，調(diào)整預應力束矢高。圖3(a)所示為原來的有粘結(jié)預應

7、力束的配筋方案（2束共14根），因與另一方向的預應力束發(fā)生相交，將其中的4根預應力筋改用無粘結(jié)預應力筋（圖3(b)），從而使有粘結(jié)預應力束的矢高向下調(diào)整了40mm，調(diào)整后的預應力束形心線線形方程仍保持不變。有粘結(jié)筋與無粘結(jié)筋的區(qū)別在于二者的預應力損失和極限應力的計算，由于無粘結(jié)筋的摩擦損失一般較有粘結(jié)筋略小，因此用無粘結(jié)筋替代有粘結(jié)預應力束后，在正常使用階段的抗裂要求通常能夠滿足，但是在極限承載力階段還需再次驗算。由于用少量無粘結(jié)筋替換有粘結(jié)筋僅使極限承載力降低很小，而一般情況下預應力構(gòu)件由抗裂及撓度控制配筋，承載力往往有富余，所以承載力驗算一般能夠滿足。同時，無粘結(jié)預應力筋的數(shù)量可以遵循下列

8、原則確定3：（1）有粘結(jié)預應力筋（AP1）和無粘結(jié)預應力筋（AP2）的總量AP = (AP1 + AP2)應滿足使用性能和所選擇的預應力度的要求，因為預應力度對預應力結(jié)構(gòu)的使用性能和抗震性能有重要影響。（2）豎向荷載和水平地震作用下，梁的承載能力完全由有粘結(jié)預應力筋和非預應力筋共同承擔，無粘結(jié)預應力筋的作用是和有粘結(jié)預應力筋一起共同滿足抗裂及撓度驗算的要求。（3）按照我國有關規(guī)范或規(guī)程，對于有粘結(jié)部分預應力梁，非預應力筋的最低配筋率是0.2%；對于無粘結(jié)部分預應力梁，無粘結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程（JGJ/T 92-93）規(guī)定，梁中受拉區(qū)配置的非預應力筋的最小截面面積As取下列兩式計算結(jié)果的較

9、大值： （6） （7）對于采用有粘結(jié)預應力筋與無粘結(jié)預應力筋混合配筋的部分預應力混凝土梁，考慮到地震區(qū)梁內(nèi)有粘結(jié)筋是占主要的，同時考慮到適當增加非預應力筋的用量對抗震有利，故建議非預應力筋的最小配筋率宜取為0.3%。（4）在滿足截面構(gòu)造要求的前提下，盡量使有粘結(jié)預應力筋靠近截面受拉邊緣，無粘結(jié)預應力筋配置在其內(nèi)側(cè)，如圖3(b)所示。但在支座負彎矩截面上有粘結(jié)筋將處于無粘結(jié)預應力筋的內(nèi)側(cè)，此時非預應力筋的用量會有所增加。3 雙向預應力混凝土結(jié)構(gòu)的施工特點33.1 預應力混凝土結(jié)構(gòu)模板工程圖4 鋼筋籠的整體提升綁扎施工通常，后張預應力梁的模板和支撐應能滿足最不利施工荷載作用下的強度和剛度要求，同時

10、需防止支撐底部地基的不均勻沉陷。為克服張拉階段反拱過大的問題，宜采用“先次梁，后框架梁”的張拉順序，以控制預應力框架梁的反拱值?？紤]到該張拉順序?qū)⑹沟闷桨搴痛瘟荷系暮奢d全部傳遞到框架梁，而框架梁在張拉前完全依賴梁底支撐受力，因此應通過仔細驗算，對預應力框架梁梁底支撐可采用加密方法進行加強。3.2 預應力筋的定位和穿束目前土建施工單位多采用“鋼筋籠整體提升綁扎再沉放”的工藝，即模板工程全部完成后，鋼筋工進場先在樓板底模上架立門式鋼管支架，然后通過門式鋼管支架將鋼筋籠抬立于樓面以上進行綁扎，最后當鋼筋籠全部綁扎結(jié)束且預應力筋穿束完成后，擰松門式鋼管支架的連接扣件，將鋼筋籠整體沉放入模板槽中，見圖4

11、。圖5 雙向波紋管的交錯鋪放雙向預應力混凝土框架的預應力施工主要需解決預應力束的交錯鋪放，見圖5。由于需要將幾十米長的鋼絞線連同波紋管按設計的曲線線形逐根安裝就位，而且是雙向交錯疊放，施工難度較大。建議采用坐標分析法進行平鋪并架設定位支架：首先在結(jié)構(gòu)平面圖上標明所有預應力束交叉點處各排預應力束的坐標，根據(jù)該坐標判斷交叉點處預應力束的上排、下排位置，并找出在各交叉點處（或在大多數(shù)交叉點處）均處于最下一排的預應力束作為第一批鋪放的束，剔除第一批鋪放束后，再按同樣的方法依次找出下一批鋪放的預應力束。該方法可以較直觀地解決預應力束的鋪放順序問題，避免雙向預應力束的交錯“編織”。為節(jié)約工期，波紋管的鋪放

12、、預應力筋的穿束工序與普通鋼筋綁扎可以交叉進行作業(yè)，實踐表明，通過預應力公司與土建施工單位的密切配合，完全可以實現(xiàn)普通鋼筋綁扎與預應力筋穿束的同步完成。但是，端部喇叭管的定位和固定工序因為受到“整體沉放”工藝特點的限制，必須待鋼筋籠就位后才能進行操作，這需要占用一定的獨立工期。保證波紋管順利從柱縱筋之間穿出也是一個技術關鍵。在柱筋綁扎前，預應力公司需要先對柱配筋圖進行詳細的放樣，適當調(diào)整柱縱筋的凈距；同時，通過技術交底要求梁柱節(jié)點的箍筋和梁中部的“S”形拉結(jié)筋必須在波紋管穿完后再進行綁扎，并要求鋼筋工保證沉放前鋼筋籠的平整度（防止鋼筋籠變位過大給穿管造成困難）。這些措施可有效保證波紋管的定位和

13、鋪設。鋼筋籠在沉放前，必須對已鋪設好的波紋管詳細進行檢查，尤其需加強梁柱節(jié)點處的檢查，發(fā)現(xiàn)局部破損及時進行修補。沉放過程中派專人密切觀察鋼筋密集處的波紋管情況。3.3 混凝土澆筑工序按照預應力工程的有關操作規(guī)程，澆筑混凝土時振搗棒不能直接擠碰波紋管，以防損壞波紋管而引起漏漿，堵塞孔道，而在預應力張拉端、錨固端、梁柱節(jié)點等關鍵部位，宜用小直徑的振搗棒或振搗片仔細振搗密實。施工過程中，為防止波紋管局部漏漿影響以后的張拉作業(yè)，建議采取如下的措施：（1）在混凝土初凝前派專人定時對預應力筋來回拉動。對于總長度超過50m的預應力梁，宜采用鐵鏈葫蘆進行拉動。拉動的時間不能過早，一般在混凝土澆筑后34小時后進

14、行，否則可能會擾動新澆混凝土；（2）增設泌水管。每隔13米左右設置一根泌水管，這有利于孔道堵塞情況的檢查，并能保證灌漿過程的通暢。即使張拉時發(fā)現(xiàn)漏漿堵孔情況，也可采用往泌水管注水的檢查方法，盡快確定出孔道的堵塞區(qū)段，盡快提出處理辦法。3.4 預應力筋的張拉預應力井式梁框架結(jié)構(gòu)一般采用逐層澆筑，逐層張拉的施工工藝。預應力筋的張拉作業(yè)需待混凝土強度至少達到設計強度的75%后進行，并以現(xiàn)場同等養(yǎng)護條件下的混凝土強度報告為依據(jù)。預應力筋張拉施工采用雙控，即伸長值和張拉力控制。實際工程中常采用超張拉工藝抵消部分預應力筋的松弛損失，當預應力超長情況下，兩端的張拉操作人員需通過對講機隨時保持聯(lián)系。當預應力筋

15、較長時，其伸長值將大于千斤頂行程，此時可采用分級張拉累計伸長值的辦法。張拉以張拉力為主要控制指標，伸長值作為校核指標，實際伸長值與計算伸長值之間的偏差應在-6+6%的范圍內(nèi)，如張拉過程中張拉伸長值超過該偏差范圍應立即停止操作，查明原因，待采取措施并排除故障后才能繼續(xù)張拉。3.5 施工構(gòu)造措施預應力混凝土結(jié)構(gòu)的錨固區(qū)一般設置于邊節(jié)點處，在該節(jié)點處鋼筋交錯密集，因此預應力波紋管的穿管難度很大，也容易造成混凝土不密實。實際根據(jù)設計計算，預應力框架邊節(jié)點的負彎矩的配筋量往往有富余，因此，邊節(jié)點區(qū)的鋼筋構(gòu)造做法從理論上說可以簡便一些4。施工中的做法通常有：（1）在中間樓層的邊節(jié)點區(qū)，預應力梁的頂筋向上彎折錨固，底筋向下彎折錨固；（2）在頂層的邊節(jié)點區(qū)，預應力梁的頂筋提前200mm向下彎折錨固，底筋向下彎折錨固；（3）如果施工先穿波紋管，后沉放鋼筋籠，則頂層柱縱筋的水平錨固段不能按常規(guī)彎折進行下料，而必須在鋼筋籠沉放就位后再彎折錨固。4 結(jié)束語 雙向預應力混凝土結(jié)構(gòu)中，各向預應力筋（或波紋管）在梁系交叉點處的相交問題設計與施工中的突出問題。本文針對該問題進行了深入探討：建議了判別預應力筋相交的方法，提出有粘結(jié)筋與無粘結(jié)筋混合布筋方案以調(diào)節(jié)預應力筋的失高，并對