預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁分三批張拉的反拱性能研究

預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁分三批張拉的反拱性能研究

深圳益田村1號地塊由5棟27.31層住宅組成。兩層地下車庫，一層高架（圖1）。中心花園形成了一個(gè)有10000米長的花園，中間的庭院形成了一個(gè)開放空間。因架空層景觀需要,各塔樓在5.770m標(biāo)高處各設(shè)4榀有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換大梁,跨度為6.8m,C40混凝土,梁截面為b×h=1.6m×1.5m,支座處加腋高度300mm。轉(zhuǎn)換梁跨中設(shè)一柱承擔(dān)上部26～30層荷載。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),對轉(zhuǎn)換梁各階段的受力狀況進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并繪制了大比例的鋼筋詳圖用于指導(dǎo)施工,在分批張拉過程中測試了其中一榀轉(zhuǎn)換梁的反拱情況。至2000年1月全部轉(zhuǎn)換梁張拉(各梁均分3批張拉)完畢,2000年3月結(jié)構(gòu)封頂,轉(zhuǎn)換梁表現(xiàn)良好。一、預(yù)制梁設(shè)計(jì)1.基本考慮(1)轉(zhuǎn)換梁的使能力極限狀態(tài)工程中轉(zhuǎn)換梁兩端支撐在剪力墻上(見圖1),結(jié)構(gòu)形式較簡單,梁、墻節(jié)點(diǎn)為剛接。由于轉(zhuǎn)換梁是特別重要的構(gòu)件,需具有足夠的安全度,同時(shí)又要兼顧經(jīng)濟(jì)性,在轉(zhuǎn)換梁的使用極限狀態(tài)與承載能力極限狀態(tài)兩階段的設(shè)計(jì)中,我們對梁、墻節(jié)點(diǎn)做了不同的考慮:在使用極限狀態(tài)階段設(shè)計(jì)中,梁兩端按剛接處理。由于該梁控制截面在跨中,可使預(yù)應(yīng)力筋用量不致過多;支座處承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí),梁兩端按剛接處理;跨中處承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí),梁兩端按鉸接處理。由于跨中截面的強(qiáng)度是按梁簡支來考慮的,使得轉(zhuǎn)換梁在強(qiáng)度上具有足夠的安全儲備。(2)混凝土拉應(yīng)力來源轉(zhuǎn)換梁為C40混凝土,ftk=2.45N/mm2,使用極限階段設(shè)計(jì)抗裂控制較嚴(yán):按荷載的長期效應(yīng)組合計(jì)算時(shí),其受拉邊緣混凝土不應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力;按荷載的短期效應(yīng)組合計(jì)算時(shí),則允許產(chǎn)生拉應(yīng)力,但不應(yīng)超過αctγftk,且αct=0.5,即:按荷載的短期效應(yīng)組合計(jì)算時(shí),應(yīng)符合σsc-σpc≤αctγftk=2.14N/mm2(γ取1.75);按荷載的長期效應(yīng)組合計(jì)算時(shí),應(yīng)符合σsc-σpc≤0。(3)預(yù)應(yīng)力筋張拉和拉緊分階段張拉在設(shè)計(jì)上可優(yōu)化轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換大梁上承受的層數(shù)較多時(shí),采用分階段張拉可使轉(zhuǎn)換梁的高度保持一個(gè)絕對最小值。梁的高度大小對撓度和反拱較敏感,在采用較小截面高度時(shí),只有分階段張拉才能保證施工和使用階段轉(zhuǎn)換梁基本處于平直狀態(tài),既無過大反拱又無過大撓度。在滿足承載力和剛度要求的前提下,轉(zhuǎn)換梁的截面高度較小時(shí)對抗震是有利的。工程施工時(shí)轉(zhuǎn)換梁預(yù)應(yīng)力筋分三批張拉,即澆筑完轉(zhuǎn)換層(達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后)張拉第一批鋼絞線,澆筑完第十層張拉第二批,澆筑完第二十層張拉第三批。在驗(yàn)算使用階段性能時(shí),需計(jì)算6種工況:在豎向荷載最不利時(shí),裂縫控制計(jì)算分別有3種工況,即上部作用10層(此時(shí)僅張拉完第一批預(yù)應(yīng)力筋)、20層(此時(shí)張拉完第二批預(yù)應(yīng)力筋)、31層(此時(shí)張拉完全部預(yù)應(yīng)力筋)荷載;梁在各施工階段預(yù)加應(yīng)力后的最不利裂縫控制計(jì)算也有3種工況,即上部無荷載,上部分別作用10層和20層荷載。以上6個(gè)工況的混凝土應(yīng)力均控制在上述的范圍內(nèi),則施工全過程及正常使用階段均可滿足要求。2.轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力為穩(wěn)妥起見,分別用TAT,SATWE兩種結(jié)構(gòu)分析程序分別計(jì)算了轉(zhuǎn)換梁在10,20,31層荷載作用下的內(nèi)力(轉(zhuǎn)換梁與墻按剛接、鉸接分別計(jì)算轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力)。TAT程序計(jì)算結(jié)果(剛接情況)見表2。3.預(yù)應(yīng)力筋張拉過程經(jīng)反復(fù)試算,轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為1600mm×1500mm,支座處加腋1000×300,C40混凝土,共配預(yù)應(yīng)力鋼絞線12-6?j15.24,強(qiáng)度等級1860MPa,單根面積Ap=140mm2,張拉控制應(yīng)力σcon=75%fptk=1395MPa,一端張拉。分三批張拉,每批張拉4-6?j15.24。預(yù)應(yīng)力筋布置情況見圖2。由PRCS預(yù)應(yīng)力程序計(jì)算分批張拉時(shí)各階段轉(zhuǎn)換梁的有效預(yù)應(yīng)力值、等效荷載、綜合彎矩、次彎矩。表1是各階段有效預(yù)應(yīng)力值,由表可見,張拉后一批預(yù)應(yīng)力筋,會使已張拉完畢的預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力值降低,這是因構(gòu)件在預(yù)壓應(yīng)力作用下縮短所致。一般情況下補(bǔ)張拉前批預(yù)應(yīng)力筋可提高有效應(yīng)力值,但本工程轉(zhuǎn)換梁長度太短,錨具回縮影響很大(由固定端應(yīng)力高于張拉端可看出),無補(bǔ)張拉價(jià)值。預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的綜合彎矩見表2。表2為轉(zhuǎn)換梁豎向最不利荷載時(shí)及最不利預(yù)加應(yīng)力時(shí)截面邊緣混凝土應(yīng)力的計(jì)算過程。由表可見,豎向最不利荷載時(shí)在施工到十、二十層時(shí)混凝土邊緣出現(xiàn)不大于1.0N/mm2的拉應(yīng)力,全部施工完畢后混凝土邊緣應(yīng)力均為壓應(yīng)力。預(yù)加應(yīng)力最不利時(shí)各階段基本為壓應(yīng)力。滿足設(shè)計(jì)控制要求。4.預(yù)應(yīng)力筋和主要參數(shù)支座處承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算,梁兩端按剛接處理;跨中處承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算,梁兩端按鉸接處理?？缰薪孛?M恒=8703.3kN?m?M活=1039.8kN?mM風(fēng)=623.5kN?m?M次=260.0kN?mM設(shè)=1.2M恒+1.4M活+1.4M風(fēng)+1.2M次=13084.6kN?mΜ恒=8703.3kΝ?m?Μ活=1039.8kΝ?mΜ風(fēng)=623.5kΝ?m?Μ次=260.0kΝ?mΜ設(shè)=1.2Μ恒+1.4Μ活+1.4Μ風(fēng)+1.2Μ次=13084.6kΝ?m跨中截面配筋見圖2所示,梁底通長配32○⊥25,梁面通長配38○⊥25Ⅱ級鋼筋,fy=fy′=310N/mm2,預(yù)應(yīng)力鋼絞線的強(qiáng)度等級為1860MPa,規(guī)格為?j15.24,單根面積為Ap=140mm2,設(shè)計(jì)強(qiáng)度fpy=1260N/mm2。C40混凝土,fcm=21.5N/mm2,經(jīng)計(jì)算,混凝土的受壓區(qū)高度x=343mm,h0=1340,x/h0=0.255,滿足要求。截面抗彎能力:fcmbx(h0-x/2)+fy′As′(h0-as′)=21072kN·m>13084.6kN·m,滿足要求。預(yù)應(yīng)力度λ=fpyAp/(fyAs+fpyAp)=72×140×1260/(32×490.9×310+72×140×1260)=0.72預(yù)應(yīng)力度λ偏高一些,但本建筑物屬剪力墻結(jié)構(gòu)體系,抗震的耗能機(jī)制主要靠剪力墻本身和連梁來實(shí)現(xiàn),少數(shù)幾根梁的延性差一些,不會影響到整棟建筑物的抗震耗能狀況;而轉(zhuǎn)換梁的抗裂要求高,預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量不宜再減少。配筋率μ=(72×140×1260/310+32×490.9)/(1500×1600)=2.36%<2.5%,滿足要求。支座截面M恒=4787.3kN·m,M活=573.2kN·m,遠(yuǎn)小于跨中截面,可見承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí)的關(guān)鍵截面是跨中截面,支座截面具體計(jì)算過程略。支座截面配筋見圖2(b),考慮到梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋很多,圖中對梁面鋼筋的彎折方向作了明確的規(guī)定。二、梁筋綁扎及張拉預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的施工與常規(guī)的預(yù)應(yīng)力框架等結(jié)構(gòu)不同,所要注意的問題有以下幾個(gè)方面:1)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力工程施工難度較高,施工方案、埋設(shè)波紋管、鋪設(shè)預(yù)應(yīng)力筋、預(yù)應(yīng)力張拉等要求都比一般預(yù)應(yīng)力工程高;2)模板及支架的搭設(shè)尤為重要,絕對不允許出現(xiàn)模板支架的局部或整體失穩(wěn);3)鋼筋密、規(guī)格大,鋼筋放樣要求準(zhǔn)確,不允許出現(xiàn)差錯(cuò)導(dǎo)致返工困難,甚至無法返工;4)綁扎普通鋼筋時(shí),應(yīng)保證預(yù)應(yīng)力筋與普通鋼筋的位置不發(fā)生矛盾,梁柱節(jié)點(diǎn)處的鋼筋更密,在綁扎柱主筋時(shí)應(yīng)考慮到波紋管能夠通過;5)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的混凝土屬大體積混凝土施工,對配合比、溫度控制更加嚴(yán)格。總之,對預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的施工,除預(yù)應(yīng)力本身的難度外,對模板、鋼筋、混凝土工程等也有相當(dāng)高的配合要求。1.鋼筋工程剪力墻筋定位:轉(zhuǎn)換梁本身的含鋼量大、主筋多、布置密,而且剪力墻又在該層變換截面,因此在梁墻節(jié)點(diǎn)處有上百根主筋“相聚”,加上預(yù)應(yīng)力波紋管、腰筋、吊筋、水平分布筋等。眾筋搶位的現(xiàn)象十分突出。任何一根剪力墻筋的就位錯(cuò)誤,均會造成大量的返工甚至無法返工。因此,準(zhǔn)確的放樣和下料,合理地安排好墻筋位置均十分重要。本工程的做法為:事先繪制大比例(1∶10)的梁墻節(jié)點(diǎn)大樣圖,定出鋼筋間距(見圖3示意,限于圖幅,部分尺寸未表示),使墻筋的間距與穿墻波紋管的間距一致,對妨礙波紋管位置的墻主筋及其他鋼筋作相應(yīng)調(diào)整。墻筋應(yīng)嚴(yán)格按圖紙綁扎。梁筋綁扎:預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋是主要的受力鋼筋,因此梁筋綁扎的原則是“普通鋼筋服從預(yù)應(yīng)力波紋管,波紋管依靠普通鋼筋”,在綁扎普通鋼筋時(shí)讓出波紋管孔道位置。梁筋綁扎的順序?yàn)?綁扎梁面主筋、梁底主筋,箍筋先全部放入,每隔1m先綁扎固定一道箍筋,其余箍筋先不綁扎,集中到一邊;波紋管放線、焊定位鋼筋;穿入預(yù)應(yīng)力筋;綁扎波紋管,留灌漿排氣孔;綁扎腰筋、水平分布筋、S筋、吊筋、箍筋;封兩側(cè)模板。因轉(zhuǎn)換梁箍筋密(@100),為便于施工,箍筋先全部穿入,但每隔1m先固定一道,其余箍筋先集中到一邊,以便人員鉆入鋼筋籠內(nèi)安放波紋管。腰筋、水平分布筋、S筋要在預(yù)應(yīng)力筋綁扎完畢后最后再綁扎,否則難以保證曲線預(yù)應(yīng)力筋的形狀。梁上部波紋管、主筋密集,為保證澆筑混凝土質(zhì)量,鋼筋綁扎時(shí)在鋼筋密集處專設(shè)一些振搗棒插入眼。2.混凝土工程澆筑混凝土前重點(diǎn)檢查普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量及位置是否準(zhǔn)確。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的混凝土屬大體積混凝土施工,對配合比、原料選擇、摻外加劑、溫度控制、養(yǎng)護(hù)等多方面加以控制,以控制混凝土的收縮裂縫。振搗時(shí)采用分批澆筑方式,每批厚度控制在50～60cm,采用振搗器分批振實(shí),對鋼筋密集區(qū)、預(yù)應(yīng)力筋張拉端等部位應(yīng)特別注意振搗密實(shí),不得漏振,必要時(shí)輔以鋼釬搗固和錘擊敲振的方法。振搗器避開波紋管插搗,防止漏漿,避免隨意用鋼管撬動鋼筋,以免將波紋管撬癟。4.預(yù)應(yīng)力筋張拉由于轉(zhuǎn)換梁養(yǎng)護(hù)至100%強(qiáng)度時(shí),上部已施工5層(本工程每月施工5層左右),因此第一批張拉時(shí)轉(zhuǎn)換梁已承擔(dān)5層荷載。經(jīng)計(jì)算,轉(zhuǎn)換梁僅普通鋼筋可承擔(dān)10層的荷載,故在張拉第一批預(yù)應(yīng)力筋時(shí)將梁的支撐、模板拆除。第一、二批張拉在樓板底進(jìn)行,第三批在樓板張拉槽中進(jìn)行,空間狹小,無法采用群錨千斤頂進(jìn)行張拉,故采用小型千卡式千斤頂,每榀梁用兩臺千斤頂同時(shí)對稱張拉。轉(zhuǎn)換梁預(yù)應(yīng)力筋均為一端張拉一端固定,固定端部分(內(nèi)埋式擠壓錨具)長度有所差異,各預(yù)應(yīng)力筋的總長度有所不同,預(yù)應(yīng)力筋的理論伸長值為40～44mm,預(yù)應(yīng)力筋張拉實(shí)際伸長值允許范圍為38～49mm。經(jīng)測試,實(shí)際值均在該范圍內(nèi)。5.預(yù)應(yīng)力筋防銹及孔道灌漿轉(zhuǎn)換梁中預(yù)應(yīng)力筋從埋設(shè)到張拉完畢通常在一個(gè)較長的時(shí)間內(nèi)完成(本工程從1999年9月18日開始埋設(shè)到2000年1月25日全部張拉完畢,約4個(gè)月時(shí)間),預(yù)應(yīng)力筋的防銹是必須認(rèn)真處理的問題。我們的處理方法為:預(yù)應(yīng)力筋埋設(shè)完畢,即用5層塑料薄膜包裹外露的預(yù)應(yīng)力筋,并用廢水泥袋徹底封堵錨孔,防止在澆筑混凝土及養(yǎng)護(hù)期間預(yù)應(yīng)力筋生銹;將12-6?j15.24分三批張拉,每批4-6?j15.24一次張拉到設(shè)計(jì)控制應(yīng)力,每批張拉完畢即進(jìn)行孔道灌漿。這樣使得所配置的預(yù)應(yīng)力筋均只經(jīng)過一次張拉,張拉前處于全長封閉狀態(tài),張拉后隨即得到灌漿處理,預(yù)應(yīng)力筋不會生銹。三、預(yù)制梁測試1.轉(zhuǎn)換梁上的荷載選取一榀轉(zhuǎn)換梁,測其在張拉第一、二、三批預(yù)應(yīng)力筋時(shí)的反拱。這時(shí),轉(zhuǎn)換梁上部分別作用了5,10,20層荷載。采用百分表進(jìn)行測量,梁跨中設(shè)3個(gè)測點(diǎn)。測試裝置及各測點(diǎn)位置見圖4。2.預(yù)應(yīng)力筋張拉在預(yù)應(yīng)力筋張拉前,進(jìn)行第一次測量(每點(diǎn)測一次,分析時(shí)取平均值,下同);在每批預(yù)應(yīng)力筋(4-6?j15.24)張拉完2-6?j15.24后,進(jìn)行第二次測量;在每批預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢后,進(jìn)行第三次測量。3.張拉過程中梁的變形三次測試結(jié)果見表3,反拱值分別為0.25,0.36,0.19mm。從測試過程及結(jié)果看:(1)測試值反映的是轉(zhuǎn)換梁在預(yù)應(yīng)力等效荷載作用下向上的反拱,由于測試時(shí)對上部結(jié)構(gòu)的施工荷載難以準(zhǔn)確計(jì)算,故測試值無法與計(jì)算值比較。但反拱值的數(shù)量