高層建筑地下室有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力頂板設(shè)計(jì)與施工技術(shù)探討

摘 要:本文結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)闡述了地下室頂板有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)，并在與一般鋼筋混凝土樓板比較分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其先進(jìn)的使用性能及良好的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入探討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞:有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力; 地下室頂板; 鋼筋混凝土樓板; 配筋; 經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào):TU745.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1008-0422(2009)07-0163-02

1工程概述

湖南某住宅小區(qū)由多棟10～13層小高層和多層住宅組成，總建筑面積達(dá)10萬m²。其中室外地下室頂板采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，以充分利用頂板帶來的空間，平時(shí)頂板下為室內(nèi)停車場，戰(zhàn)時(shí)則為6級(jí)物質(zhì)庫，并頂板上種植綠草、修造花園等公共設(shè)施，以營造舒適、生活休閑功能齊全的高尚社區(qū)。本工程柱網(wǎng)尺寸主要為8.0m×8.0m，地下室頂板上覆土1000mm，并且有人防要求。由于荷載大(覆土荷載、消防車荷載和人防荷載)、抗裂要求高，故該工程的地下室頂板采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋技術(shù)，其平面布置見圖1。

2有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力地下室頂板的設(shè)計(jì)驗(yàn)算

2.1計(jì)算模型和設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程地下室頂板室外覆土1000mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，fc=16.7N/mm²，非預(yù)應(yīng)力筋為Ⅱ級(jí)鋼，f_y=300N/mm²，預(yù)應(yīng)力筋采用直徑為Φ^s15.2，f_ptk=1860 N/mm²級(jí)低松馳鋼絞線，張拉控制應(yīng)力取0.7f_ptk=1302MPa。設(shè)計(jì)荷載為:板厚300mm自重:7.5kN/m²，其它恒載:20.0kN/m²，正常使用活載:3.5kN/m²，消防車荷載:20kN/m²，人防等效荷載:65kN/m²。

由于地下室頂板荷載大并且分布不同，邊界條件復(fù)雜，同時(shí)還要考慮溫度應(yīng)力(本工程考慮25℃溫差)的影響，而計(jì)算模式不同，不同位置的應(yīng)力值將相差較大，所以采用了能有效地反映板的支承條件的板、梁、柱共同作用的空間結(jié)構(gòu)模式來計(jì)算板在各種荷載工況下的應(yīng)力——即采用空間有限元程序SAP來進(jìn)行計(jì)算分析，在各種荷載工況下最大應(yīng)力結(jié)果見表1。

2.2頂板的抗沖切驗(yàn)算

在進(jìn)行頂板設(shè)計(jì)時(shí)，在柱子位置可適當(dāng)增加柱帽(本工程為大小為3000mm×3000mm，根部加高500mm的柱帽)，易計(jì)算樓板在各種工況下的抗沖切驗(yàn)算完全能滿足要求。

2.3正常使用條件下頂板的抗裂控制條件

對(duì)于抗裂控制條件，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)比無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ/T92-2004)抗裂度要求略高，而且沒有后者具體，因此對(duì)于板結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為，無論有粘結(jié)筋還是無粘結(jié)筋，抗裂度統(tǒng)一可以按(JGJ/T92-2004)取值。

因此在正常使用條件下的，抗裂驗(yàn)算可采用如下公式:

(1)在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下:

σ_ck-σ_pc≤1.0f_tk(1)

式中:σ_ck——荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合產(chǎn)生的應(yīng)力;

σ_pc——預(yù)應(yīng)力等效荷載產(chǎn)生的應(yīng)力;

(2)在荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合產(chǎn)生的應(yīng)力

σ_cq-σ_pc≤0.4f_tk (2)

式中:σ_cq——荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合產(chǎn)生的應(yīng)力

對(duì)于在消防車荷載及人防荷載條件下，可不用按上述條件要求計(jì)算，只需在強(qiáng)度條件滿足的前提下，另外復(fù)算消防車荷載下的裂縫寬度為0.2mm以內(nèi)即可。

2.4設(shè)計(jì)結(jié)果

通過有限元程序計(jì)算外荷載作用下的應(yīng)力，依據(jù)頂板的抗裂控制條件，確定預(yù)應(yīng)力等效荷載，進(jìn)一步得出每跨預(yù)應(yīng)力筋束數(shù)。本工程雙向均勻布置，每跨8.0m配預(yù)應(yīng)力筋30束(預(yù)應(yīng)力筋平面布置圖2)。

2.5樓板的極限承載力

對(duì)于預(yù)應(yīng)力樓板，裂縫控制條件往往是比較嚴(yán)格的，因此在抗裂控制條件滿足的前提下，可以按規(guī)范的最小配筋率要求(人防要求0.3%)構(gòu)造配置普通鋼筋，這樣驗(yàn)算板的正常使用及人防條件下的極限承載力通常都大于設(shè)計(jì)承載力。

3有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力地下室頂板施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1預(yù)應(yīng)力筋布置

預(yù)應(yīng)力筋布置應(yīng)嚴(yán)格按圖施工，鋼筋數(shù)量及種類必須符合圖紙要求，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求曲線布筋，保證在垂直方向上各控制點(diǎn)的高度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，曲線要平滑，反彎點(diǎn)位置按圖施工，梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層最小厚度50mm。張拉端與固定端采用夾片類7孔錨具，喇叭管和螺旋筋與其配套?？椎啦捎媒饘俨y管留孔，管徑為70。接管采用大一號(hào)的波紋管，采用一端張拉。

3.2波紋管埋設(shè)及預(yù)應(yīng)力筋穿束

支模板過程中，梁的側(cè)模板先不封，以便于金屬波紋管和預(yù)應(yīng)力筋的埋設(shè)。在非預(yù)應(yīng)力鋼筋綁扎好后，根據(jù)設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力筋曲線坐標(biāo)，將波紋管固定支架焊接在大梁相應(yīng)位置和標(biāo)高處的箍筋上。支架采用Φ10鋼筋，間距為800mm。定位鋼筋固定好后，即可安裝金屬波紋管，波紋管逐根穿入，與定位支架用20號(hào)鐵絲十字交叉綁扎牢固，要特別注意最高點(diǎn)、反彎點(diǎn)和梁跨中處的位置準(zhǔn)確。由于波紋管由兩段或多段組成，兩段管之間接頭用大一號(hào)波紋管(L=300rnm)套接，張拉端頭擴(kuò)大孔采用Φ85的波紋管。波紋管所有連接處用防水膠帶纏裹嚴(yán)實(shí)防止漏漿。安裝好波紋管后，即可進(jìn)行鋼絞線穿束。

3.3模板及腳手架工程

要求梁模板的支架必須滿足承受結(jié)構(gòu)的自重和可能出現(xiàn)的最大施工荷載的要求，并有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力梁兩側(cè)模板必須在波紋管固定好并驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行封模安裝，在模板打?qū)菟讜r(shí)必須注意預(yù)先定出位置，防止打穿波紋管。

3.4混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑時(shí)嚴(yán)禁踩壓波紋管、預(yù)應(yīng)力筋、定位鋼筋、排氣管(兼泌水管)及端部頂埋件?；炷翝仓^程中，要在波紋管的兩側(cè)對(duì)稱下料，振搗時(shí)，振動(dòng)棒不得碰到波紋管、錨具等，以免損壞波紋管而引起漏漿堵塞孔道和保證頂應(yīng)力筋的束形和錨具的位置準(zhǔn)確。并注意控制波紋管的上浮現(xiàn)象發(fā)生，澆筑好后要注意養(yǎng)護(hù)，以確?；炷劣凶銐虻某袎毫?，以免張拉時(shí)發(fā)生事故。

3.5張拉控制

張拉過程實(shí)行雙控管理，即以應(yīng)力控制為主，并同時(shí)實(shí)施伸長值測(cè)量控制。在正式張拉前進(jìn)行試張拉，實(shí)測(cè)摩擦損失系數(shù)，再根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果填寫“張拉要點(diǎn)”(包括張拉力及計(jì)算伸長值)。張拉的實(shí)際伸長值不應(yīng)大于計(jì)算伸長值的+6%或小于-6%，若發(fā)現(xiàn)實(shí)際伸長值超出此范圍，應(yīng)停止張拉，查明原因可繼續(xù)張拉。

3.6孔道灌漿和封錨

灌漿水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.4，摻高效減水和帶微膨脹的外加劑，塌落度為16cm。從設(shè)置在曲線孔道最低點(diǎn)的灌漿孔中均勻地一次灌滿孔道，待兩端出氣處冒出濃漿后方可封閉泌水孔(出氣孔)并繼續(xù)加壓到0.6MPa，持荷2min后封閉灌漿孔。張拉灌漿完成后緊接著進(jìn)行封錨。封錨前必須將錨具、錨孔清理干凈，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行封錨，凸出的錨頭按照設(shè)計(jì)的大樣圖由總包方配置附加鋼筋，對(duì)錨具進(jìn)行封閉保護(hù)。封錨材料必須將錨具、預(yù)應(yīng)力鋼絲頭全部封錨堵密實(shí)，不得留有空隙，筋頭、錨具不得外露。

4地下室預(yù)應(yīng)力頂板設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)注意的問題

1)地下室頂板采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)時(shí)，解決了超長結(jié)構(gòu)樓板收縮開裂問題，通常在板中我們施加1.5～2.3MPa左右的收縮預(yù)壓應(yīng)力來抵抗混凝土的收縮和溫度應(yīng)力。但是樓板的伸縮對(duì)柱子的影響不容忽視，特別是靠近端部的柱子，變形大，附加彎矩大，在計(jì)算柱子的承載力的時(shí)候，應(yīng)充分考慮施加預(yù)應(yīng)力，溫度應(yīng)力和混凝土收縮等的影響。

2)對(duì)于一些承受特殊荷載的板系，抗裂度可以適當(dāng)降低，可以考慮加強(qiáng)耐久性的措施。如行駛消防車的地下室頂板，因?yàn)橄儡囀桥R時(shí)荷載，也許結(jié)構(gòu)的整個(gè)生命周期內(nèi)，消防車都不會(huì)出現(xiàn)，因此把消防車荷載來計(jì)算結(jié)構(gòu)的抗裂度是不妥當(dāng)?shù)摹Ｋ栽谟?jì)算配筋時(shí)，如考慮全部車輛荷載的時(shí)候，可控制裂縫寬度不大于0.2mm即可。

3)注意協(xié)調(diào)正常使用階段、正常使用承載力極限狀態(tài)和消防車荷載、人防荷載作用后四種不同受力狀態(tài)的配筋，使最后配筋不僅能同時(shí)滿足，而且又最經(jīng)濟(jì)。

4)地下室頂板通常會(huì)開設(shè)透氣窗、采光井、水管井等，而且板上開洞大小不一。對(duì)于大于1m的洞的周邊均易出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這時(shí)預(yù)應(yīng)力束和普通鋼筋根據(jù)開洞石板的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行配置，洞周邊應(yīng)設(shè)置暗梁或反梁。這時(shí)的預(yù)應(yīng)力筋離洞邊應(yīng)有一定距離，并應(yīng)以足夠大的曲率平緩繞過板中的洞口。

5)施工時(shí)，張拉端、固定端支錨具須有可靠固定，并保持張拉作用線與承壓板面垂直。預(yù)應(yīng)力混凝土要連續(xù)澆注完畢，不留施工縫，并同時(shí)留足兩組試件(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件和同條件養(yǎng)護(hù)試件)，并檢查混凝土坍落度是否符合要求。

封錨材料必須將錨具、預(yù)應(yīng)力鋼絲頭全部封錨堵密實(shí)，不得留有空隙，筋頭、錨具不得外露。

5預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)綜合優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)性比較

5.1使用功能

1)采用預(yù)應(yīng)力混凝土無梁樓蓋方案有利于減少地下室埋深及基坑的開挖深度。頂板做成預(yù)應(yīng)力板后，則可以降低層高，減少水壓力，減少了基坑的開挖深度。

2)采用預(yù)應(yīng)力混凝土無梁樓蓋方案有利于增加地下室的凈空高度或者減少層高。對(duì)于8.0m跨度的樓蓋體系，若采用普通鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，梁需要占去900mm左右的凈空，而采用預(yù)應(yīng)力樓板后，取消了不必要的明梁，板厚為180～300mm(柱帽部分總高度約為500mm)，這樣在凈空不變的情況下，至少可以減少600mm以上的層高。

3)采用預(yù)應(yīng)力混凝土無梁樓蓋方案具有優(yōu)越的抗裂性，并解決了超長結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力不僅解決了豎向荷載下的抗裂問題，而且在混凝土頂板中建立了大約1.5～2.3MPa的預(yù)壓應(yīng)力，對(duì)超長結(jié)構(gòu)抵抗溫度應(yīng)力以及混凝土收縮應(yīng)力具有明顯的優(yōu)越性，結(jié)構(gòu)還可不設(shè)施工縫。

5.2經(jīng)濟(jì)性比較

采用預(yù)應(yīng)力混凝土無梁樓蓋方案減少鋼筋、混凝土用量，降低結(jié)構(gòu)的造價(jià)。本工程相同條件下如采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配筋見圖3，與圖2預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)比較見表2。

上述比較中，混凝土綜合價(jià)格按照400元/m³，普通鋼筋綜合價(jià)格按照3800元/t，預(yù)應(yīng)力綜合價(jià)格按照16500元/t。由表1的經(jīng)濟(jì)比較可以發(fā)現(xiàn):采用預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋方案比普通鋼筋混凝土梁板方案每平米綜合單價(jià)約低10%。

5.3對(duì)施工進(jìn)度的影響

與普通梁板方案相比，預(yù)應(yīng)力施工需要增加鋼絞線的布置、張拉、灌漿等工序，但其中只有鋪設(shè)鋼絞線需要單獨(dú)占用主導(dǎo)工序的時(shí)間，而模板的安裝、普通鋼筋的鋪設(shè)的難度和工期都有較大節(jié)約，張拉和灌漿可以和其它工序同時(shí)進(jìn)行，不影響施工進(jìn)度，大量的工程實(shí)例表明，采用預(yù)應(yīng)力有利于加快進(jìn)度。

6結(jié)語

綜上所述，預(yù)應(yīng)力技術(shù)經(jīng)過了多年的工程實(shí)踐和不斷發(fā)展，已經(jīng)是比較成熟的一項(xiàng)工程技術(shù)，在今后的發(fā)展應(yīng)用中，還將日臻完善。由工程實(shí)踐可知，高效預(yù)應(yīng)力技術(shù)在地下室頂板中的種種優(yōu)勢(shì)，具有有著強(qiáng)大的生命力和競爭力，一定會(huì)在未來的工程實(shí)踐中得到更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1] 徐金聲，薛立紅.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu).北京.中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[2] 建筑工程預(yù)應(yīng)力施工規(guī)程.CECS180:2005.[S].

[3] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.GB50010-2002.[S]北京，中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4] JGJ85-2000.預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程.