部分预应力混凝土框架的施工技术和设计改进.doc

部分预应力混凝土框架的施工技术和设计改进 曹霞1 ， 赵琪2 ，金凌志1 （ 1.桂林工学院土木工程系，广西 桂林 541004；2.湖南省第六工程公司，湖南 长沙，410015）摘要: 结合PPC框架施工具体环节，论述影响PPC框架施工质量的五大控制因素：地面处理及支撑设置、预应力筋和非预应力筋及波纹管的制作和绑扎、砼的浇筑、预应力钢丝的张拉、孔道灌浆等；在预应力钢丝束下料长度、预应力筋的弹性模量取值、张拉时梁砼强度值等十四页：1个方面提出改进设计的建议.关键词: 部分预应力砼；施工；钢丝束；张拉中图分类号:TU378.4;TU745.7文献标识码:A云南联合厂房子午胎生产车间建筑面积6万多m2，柱网24m12m。横向采用单层524m部分预应力砼（Partially Prestressed Concrete，简称PPC)框架结构，纵向采用12m钢筋砼托梁。524mPPC框架施工难度较大、精度要求较高。120mPPC框架分为3个施工区段，即2个224m和1个24m区段（图1）。施工工艺为：地面处理设置梁底模及支撑预应力钢丝束与非预应力筋制作、绑扎安装已穿钢丝束波纹管设置侧板、端板及灌浆、排气孔砼浇注、养护预应力张拉孔道灌浆、端部封堵拆除模板及支撑.整个施工过程安排细致，各工种配合紧凑，与设计配合密切，反映现代高效预应力技术的特点。笔者参与了PPC框架体系的施工全过程，现结合施工的具体环节，并根据预应力张拉测试结果1，对影响524mPPC框架结构施工质量的因素作出浅议，并提出改进设计的一些建议.图1 PPC框架Fig.1 PPC Frame structure1-部分预应力屋面梁；2-钢筋混凝土托梁；3-大型预应力屋面板1 影响施工质量的五大控制因素1.1地面处理及支撑设置1.1.1地面处理 地面处理即是对支撑PPC梁模板的地基处理，其目的为保证地基有足够承载力，防止在预应力张拉前由于梁自重及施工荷载作用下，因下沉而导致梁砼开裂。为满足设计的要求，本工程采取了以下处理方法：(1) 梁下3m宽范围的地基内铺200300mm厚的碎石；(2)采用8t压路机碾压4遍， 使碎石层与地基土挤压密实； (3)碾平的碎石层上采用50mm厚方垫木支撑钢管架。1.1.2支撑设置 支撑的主要作用在于承受梁自重和预应力施工荷载，一般采用多排钢管架，工程实践表明，当预应力大梁支撑下地基处理不当和支撑设置不合理，会发生张拉前梁身出现严重裂缝现象而影响结构的耐久性。本工程采用48500多排钢管支撑承担PPC梁自重和施工荷载，体现了刚度大、整体性和稳定性好的特点.1.2预应力筋、非预应力筋及波纹管的制作、绑扎收稿日期:2004-03-12基金项目: 广西自然科学基金资助项目，桂科自0447095；广西教育厅项目，桂教科研200420号。作者简介:曹霞（1965-）,女，高级工程师，一级注册结构工程师，注监理工程师，结构专业1.2.1预应力筋的制作 采用镦头锚具的高强钢丝束在制作工艺上有严格的标准，即每束钢丝在长度上的相对误差不得超过钢丝长度的1/50002。钢丝下料长度的准确与否直接影响预应力有效值的建立，误差过大将导致张拉时发生断丝。综合分析，影响钢丝下料精度的因素有以下几个方面： (1) 钢丝张拉后的实际形状与设计曲线形状的差异；（2）钢丝的弹性模量E；（3）钢丝与孔道壁之间及孔道局部偏差的摩擦系数K值；（4）钢丝下料方法；（5）砼梁体总长的控制误差；（6）波纹管在梁体内的位置误差；（7）钢丝镦头留量及砼弹性压缩变形. 本工程综合考虑了以上因素，采用了两次下料的方法，不仅防止了钢丝在孔道内因人为因素造成的缠绕和扭曲现象，而且方便编束以及钢丝的在镦头后与锚杯连接。当梁砼强度达到规定要求时，进行第二次下料，即将已锚固好一端的锚具在扩大孔端部设置，并根据实测梁长等上述因素确定下料长度. 钢丝束制作中，应关注钢丝的镦头质量及发生的断丝现象，因为有时是由于镦头质量所引起的。施工规范规定，断丝不得多于总数的3%，且每束钢丝只允许断1根。但为了PPC梁质量保证，设计上均要求将断丝取出，重新补穿新的钢丝.1.2.2非预应力筋与钢丝束、波纹管的设置 PPC框架梁非预应力筋的绑扎和钢丝束、波纹管的就位必须与预埋件、连接件等同时进行设置，非预应力筋形成的骨架，其绑扎质量直接影响到波纹管位置的准确性以及其他埋件的到位。需防止在浇捣砼时因松动造成波纹管移位而产生质量事故。因此，合理的施工序关系到施工质量和进度，具体做法如下：（1）绑扎非预应力筋骨架，要求箍筋按设计位置与纵向受力筋、梁侧构造筋绑扎牢靠，钢筋骨架与底模之间用砼垫块隔离，以符合设计对保护层厚度的要求。（包括构件的耐火等级要求）（2）置于波纹管内的钢丝束与波纹管一起预先摆放在非预应力筋骨架内，波纹管按设计曲线设置.1.3 砼的浇捣 砼浇捣是保证PPC施工质量和能否实现设计上预期目标的重要环节。施加预应力时，砼的立方强度是施加预应力的根本保证，必须采取多种措施施予以保证.1.3.1采用泵输送砼浇注工艺 泵管在输送砼时产生较大的冲击力，泵管应自行设置支撑架，以免对PPC梁的骨架和波纹管产生震动。泵输送砼浇筑工艺要求连续进行，间歇时间不能超过45min。每榀PPC梁应一次浇注完成，不留施工缝2。1.3.2砼的浇捣 PPC梁砼浇注时，严禁震动棒触及波纹管造成波纹管的破损、变形而产生漏浆。砼浇筑完成后4h之内应定期抽动钢丝束，以防止漏浆产生过大的摩阻力2 . 在PPC梁端部，钢筋较为密集，以往在工程中常采用特制的尖嘴震动棒（有的在普通震动棒端头焊上扁铁），才能伸入梁的下部，但易损坏波纹管。本工程为确保梁端不部浇注工艺的成功，在采用平板震动器施工前进行了“梁端部3m范围1:1模拟试验”，梁体砼外观平整，承压板下砼密实，取得了较好的效果.受工程进度的约束，施工、设计、监理和业主共商定，砼强度等级达到90%及浇注后不少于12d时进行预应力张拉.1.3.3梁端部施工质量控制 对于采用墩头锚具的钢丝束，预应力是通过锚具和垫板传给砼的，所以垫板必须和孔道保持垂直。在施工时，使千斤顶中心、工具杆中心、锚杯中心和孔道中心在“四心一线”，保证锚杯与垫板之间接触紧密、无缝隙，从而确保每根钢丝受力均匀，避免发生断丝现象。张拉过程中，锚杯与工具杆滑脱的现象，在工程行话中叫“放炮”，形成锚具对梁端部的猛烈冲击，造成严重的后果。本工程共张拉了480束钢丝，曾发生数次“放炮”。主要原因是：（1）工具杆嵌入锚杯之间内的螺纹纹数不满足规定值。（2）工具杆与锚杯对中有偏差，造成工具杆与锚杯螺纹之间的接触处受离不均匀，导致部分螺纹纹丝剪切破坏。（3）内纹丝制作精度有误差，不满足规定精度的要求.本工程数次“放炮”，客观上对PPC梁的砼浇捣工艺是一次检验，尤其对梁段部的砼浇捣质量是严格的检验。未造成质量影响，则说明采用模板外平板震动器的砼浇捣工艺保证了垫板下砼的密实度和抵抗局部压力（包括“放炮”时的冲击）的能力.1.4预应力钢丝束的张拉 预应力钢丝束的张拉和孔道灌浆工艺在整个预应力工艺中是最为关键和重要的质量控制点。是设计能否保证达到预期要求的关键所在.1.1.4张拉前的准备工作 （1）PPC梁的两侧在张拉前应根据施工阶段验算结果在每边铺设34块屋面板，主要功能在于保证在张拉阶段时梁的侧向稳定，并起到控制张拉阶段较显著的反拱影响;（2）张拉前的试张拉起到调整钢丝束应力和克服初始摩阻力的作用，使得钢丝束每根预应力筋的应力趋于平均。试张拉也可防止即使出现少量漏浆现象，也可使受粘结的情况得以克服。保证整个钢丝束处于较好的预张拉状态.1.4.2合理的张拉工艺 采用高强钢丝束和墩头锚具时，同束钢丝建立的应力是否均匀是PPC梁能否达到设计预期目标的关键，据资料分析，同束钢丝下料长度的相对误差控制在L/5000时，曲线束的应力差可控制在15%左右。当张拉控制应力取0.7 fptk时，曲线束钢丝的最大应力为1.150.7fptk=0.805 fptk 0.85 fptk，仍在钢丝的屈服强度之内。因多波曲线束的摩擦损失较大，钢丝所建立的应力较低，因此为减小摩擦损失将张拉控制应力提高到0.75 fptk是可行的。（1）本工程张拉控制应力COM=0.75 fptk，既是基于上的考虑。 张拉流程：（ 钢丝束就位 ）（安装千斤顶）（调整钢丝束位置）（张拉）（锚固）（2）张拉方式：每束钢丝采用两端同步张拉（3）张拉步骤：010%50%105%持续2分钟100%锚具回缩5mm锚固2 . 钢丝束的张拉阶段实际上是对PPC结构构件的一次检验。此时，PPC梁端部处在整个建筑物使用期间最大的应力状态，对于钢丝束和锚固端的局部称压强度都是很严格的检验阶段，也是PPC结构易出现施工质量问题的阶段.1.5孔道灌浆及封锚1.5.1孔道灌浆 设计理论认为，灌浆的作用是为预应力筋提供永久的保护，并增强预应力筋与周围砼的粘结。是采用有粘结PPC结构的关键所在。因此，为保证张拉后灌浆质量，需在波纹管上设置灌浆孔和排气孔。灌浆孔不应设置在曲线波纹管的低凹处，因该处恰恰是预应力筋在张拉后紧压之处，灌浆孔几乎被钢丝堵住，水泥浆很难压入波纹管内，在从而影响灌浆质量。因此，应将灌浆孔设置在曲线波纹管的最高处，使水泥浆很容易压入波纹管内.1.5.2封锚 封锚是为了使锚具不受到外界影响的一项措施，要求张拉后及时将锚具用混凝土封端。本工程采用利用凿出6.5钢筋网片，用C30细石砼封住锚具，要求封头尺寸比锚具宽出150mm，锚具砼保护层厚度为50mm. 2 改进设计建议和认识PPC技术是现代高效预应力技术中的一项重要内容，设计上可以依据、借鉴和参考的仅是高等院校、研究机构或学会、协会编制的建议、指南、设计手册及现行规范3中的部分内容。目前，设计和施工尚没有国家统一指定的规范或规程。因此PPC技术仍处在不断开拓、发展和提高的过程中，设计与施工技术通过工程实践的验证和改进，不断得到充实和完善.通过本工程实践，笔者以PPC框架结构的设计可以在以下若干方面加以注重和改进：(1) 地面处理和支撑设置是PPC梁在张拉前重要的施工工艺，是预应力梁施工质量的重要保证之一，设计上应作为一条设计质量控制来要求.(2) 预应力钢丝束下料长度的精度将直接影响设计所需建立的有效预应力值，其施工工艺要求较高，难度较大。采用钢丝束方案时，应优先采用大直径的钢丝,实践证明，S7钢丝在材质伸展性、下料精度及综合效益等方面均优于S5钢丝。但随着PPC技术的发展，大跨度PPC结构已多采用钢绞线为主，避免采用钢丝束时所遇到的问题。而且采用钢绞线体系施工工艺较方便，对控制施工质量有显示优越的特点.(3) 预应力筋的弹性模量取值是否准确对计算张拉伸长值的影响较大。设计上一般按规范规定取值：ES=210 5N/mm2 。而实际上当张拉控制值con低于比例极限时，钢丝束仍完全处在弹性范围内，其中ES =1.952.04105N/mm2,因此实际的张拉伸长值随弹性模量的差异而有不同，因此，对于重要的PPC结构，弹性模量应预先测定.(4) 非预应力筋的绑扎质量影响波纹管和钢丝束位置的准确性，所以非预应力筋的绑扎必须与波纹管的就位同时进行。本工程采用“先穿束工艺”，施工较“后穿束工艺”省力、简便，虽占一定工期，但所体现的优点还是明显的，但应在设计上注意由于钢丝束的自重引起波纹管摆动增大摩擦损失的值.(5) 设计应重视梁端部垫板预埋质量的要求，必须与张拉端部保持垂直，使锚具、工作杆处在正常的工作状态，这亦是防止产生断丝和“放炮”的措施之一.(6) 从设计理论上，梁砼强度等级达到的70%时便可进行张拉，但考虑到张拉阶段是梁遭受最大的受力状态，梁端部混凝土受到的局部压力超过设计值。为保证预应力梁的施工质量，应在混凝土达到设计强度的100%时，再进行张拉.(7) 设计上应强调梁底模和支撑的拆除必须待预应力筋张拉完成，并进行灌浆，有资料提出，孔道灌浆强度达到15MPa后才可拆除，以防止意外.(8) 测试中随着主梁施加预应力时，梁轴向内缩，并带动柱顶内移，使框架柱底内力明显增大，设计上应引起注意。但从工程上多项大跨度PPC框架结构的实践来看，目前尚无裂缝现象产生的事例.(9) 本工程PPC两端部与托梁连接出由于钢筋密集，施工时难以浇捣砼保证质量，因此设计可以采取减小端部钢筋网片数量和将部分托梁负弯矩筋设置在翼缘内的改进措施，实施效果证明措施是可行的.(10) 孔道灌浆主要为防止钢丝锈蚀和使钢丝束与梁体结合为一个整体。一般设计上为使灌浆质量有明显的效果，提出掺加一定量的减水剂、膨胀剂以及掺加砂、粉煤灰等填充剂，但应严格禁止掺入含有氯化物的外加剂。(11)从工程实践来看，当PPC梁宽度为350mm时，一般采用四肢箍筋，这在大吨位于预应力梁的情况下会给设置波纹管带来一定困难，尤其在与托梁相交处更是如此。建议今后可根据梁抗剪能力在相交部位采用双肢箍，以避免钢筋拥挤造成波纹管和砼浇捣产生的质量问题.(12) 发生侧向挠曲的原因系预应力筋安装时偏心所致。因此加强波纹管定位是很重要的工序.(13)在预应力张拉之前要保证在任何情况下能松动侧模，设计上应充分考虑到梁两侧沿高度设置构造钢筋，有的提出构造钢筋直径应不小于14mm。这是由于一些工程已发现预应力沿梁两侧砼出现裂缝现象.(14)目前，在PPC框架结构设计中采用的混凝土强度等级一般为C30C40，为较低等级系列。为适应现代高效预应力技术朝高强、轻型的方向发展，应逐步采用大于C50的高强砼，以使构件断面减小，自重减轻和缩短工期，取得更显著的经济效益.参考文献:1 重庆建筑大学工学院工程结构实验室.云南轮胎厂“子午胎车间轴线跨框架梁预应力张拉测试报告” R.桂林：中化桂林工程公司.1995.2 GB 50010混凝土结构工程施工及验收规范 s.3 GB 500102002混凝土设计规范 s.CONSTRUCTION AND IMPROVING ON DESIGN OF PARTIALLY PRESTRESSED CONCRETE FRAME STRUCTURESCAO Xia1 ， ZHAO Qi2 ，JIN Lin-zhi1（ 1.Department of Civil Engineering ,Guilin Institute of Technology ,Guilin,Guangxi 541004,China；2. Hunan No.6 Construction Engineering Company，Changsha,Hunan 410015, China）Abstract:Together of primary tache in construction, Five factors influencing construction quality of PPC Frame structure are discussed such as ground treatment and support setup, facture and bind of steel and sylphon , laying of concrete,tension of prestressing steel,duct grouting .Advices of improving on design are proposed form fourteen aspects such as layingoff-length of prestressing steel, elastic modulus of prestressing steel,value of concrete strength in beam at tension moment, bind- quality and veracity of position of steel , design of stirrup and so on.Key words: Partially Prestressed Concrete(PPC); Construction; Strand wire;Tension