基于后張法預(yù)應(yīng)力在混凝土框架梁的應(yīng)用分析

田 琴

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

隨著人們對(duì)建筑功能需求的不斷改變，建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也在不斷加大，尤其是大跨結(jié)構(gòu)、對(duì)裂縫要求較高的結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中越來(lái)越常見(jiàn)?，F(xiàn)階段，解決這類問(wèn)題的主要施工技術(shù)還是預(yù)應(yīng)力技術(shù)，由于預(yù)應(yīng)力技術(shù)不僅可以提高混凝土結(jié)構(gòu)剛度和抗裂性，還可以提高結(jié)構(gòu)的耐久性和抗?jié)B性而被廣泛應(yīng)用，這主要是由于其可以降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪力和主拉應(yīng)力。隨著工程師及相關(guān)學(xué)者的不斷運(yùn)用和研究預(yù)應(yīng)力技術(shù)，預(yù)應(yīng)力技術(shù)也在不斷進(jìn)步、不斷完善。

一、工程概況

某商業(yè)綜合樓，雙塔結(jié)構(gòu)，建筑面積約為10平方米，兩塔之間的連接結(jié)構(gòu)有三層，該連接處的二層設(shè)計(jì)了一個(gè)非常大的中庭，中庭位置的三層是結(jié)構(gòu)局部屋面。該處屋面層屬于大跨結(jié)構(gòu)，最大跨度約為38.48m。該處的大跨混凝土（混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40）框架梁采用后張法有黏結(jié)的預(yù)應(yīng)力施工工藝進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的張拉施工。本文選取工程中其中一根框架梁（WKL3）進(jìn)行分析，其截面尺寸為500×1500mm，選用fptk為1860N/mm2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

二、預(yù)應(yīng)力框架梁施工前準(zhǔn)備

本工程選取的錨具型號(hào)為OVM15-9（錨固系數(shù)≥0.95），采用后張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的兩端進(jìn)行張拉。根據(jù)設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力筋的截面尺寸選用Φ80的金屬波紋管用作布置預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)留管道。主要設(shè)備材料選好后就是進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉的相關(guān)計(jì)算。再根據(jù)后張法預(yù)應(yīng)力相關(guān)理論知識(shí)及相關(guān)規(guī)范等資料進(jìn)行計(jì)算分析，張拉應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力筋伸長(zhǎng)值以及預(yù)應(yīng)力損失各主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 預(yù)應(yīng)力筋張拉相關(guān)計(jì)算參數(shù)值

同時(shí)，計(jì)算張拉應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)值可以避免因施工過(guò)程中的張拉應(yīng)力過(guò)大或過(guò)小而破壞構(gòu)件，但是張拉過(guò)程中應(yīng)以張拉應(yīng)力控制為主，伸長(zhǎng)值控制為輔。另外，施工荷載計(jì)算出WKL3在施工階段的應(yīng)力值如表2所示。

表2 WKL3施工階段的應(yīng)力值

三、有限元對(duì)比分析

為了驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的精度以及提高預(yù)應(yīng)力混凝土施工的質(zhì)量，采用Midas Gen軟件進(jìn)行有限元建模。根據(jù)工程實(shí)際情況建立WKL3的幾何模型，再根據(jù)設(shè)計(jì)定義預(yù)應(yīng)力鋼束的特征及位置，具體的定義參數(shù)詳見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 預(yù)應(yīng)力鋼束特性值

基本模型建立完成后進(jìn)行有限元分析，可以計(jì)算出預(yù)應(yīng)力筋的張拉伸長(zhǎng)值、預(yù)應(yīng)力的損失以及WKL3的應(yīng)力狀況。Midas Gen有限元軟件計(jì)算出總的張拉伸長(zhǎng)值為259.0785mm，與理論計(jì)算結(jié)果的偏差僅為0.6%。支座處和跨中處預(yù)應(yīng)力損失的偏差分別為0.61%和2.7%，均符合設(shè)計(jì)的誤差范圍，具體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表3。從分析結(jié)果可以看出，有限元分析進(jìn)一步驗(yàn)證了我們理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，在施工過(guò)程中可以預(yù)先將計(jì)算出的這部分損失施加到張拉應(yīng)力中，確保預(yù)應(yīng)力筋實(shí)現(xiàn)其有效應(yīng)力，提高預(yù)應(yīng)力混凝土梁的工作性能。

圖2 鋼束位置定義設(shè)置圖

表3 有限元和理論計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失結(jié)果對(duì)比

四、后張法預(yù)應(yīng)力施工主要技術(shù)

1.后張法預(yù)應(yīng)力施工器械及材料的安裝控制

本工程采用的金屬波紋管是現(xiàn)場(chǎng)制作的，根據(jù)設(shè)計(jì)中梁底的標(biāo)高標(biāo)記波紋管安裝的位置，同時(shí)要確?？椎理樦?。波紋管的位置檢查并固定好后采用U形鋼筋托進(jìn)行焊接固定，然后通過(guò)發(fā)泡膠將排氣孔與波紋管接觸部位進(jìn)行密封，這樣可以避免澆筑混凝土?xí)r造成管道堵塞。安裝埋件時(shí)必須在張拉端部安裝螺旋筋，這樣可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，避免因在預(yù)應(yīng)力筋張拉過(guò)程中造成混凝土局部受壓破壞，確保張拉施工可以順利完成。但是螺旋筋的預(yù)埋位置必須控制精確，發(fā)生偏差會(huì)造成張拉過(guò)程中混凝土受力不均，易形成裂縫。

2.穿束預(yù)應(yīng)力筋

考慮到后穿束法經(jīng)常會(huì)由于預(yù)留孔道偏移和穿束方法不當(dāng)導(dǎo)致在穿束預(yù)應(yīng)力筋時(shí)比較困難。這是因?yàn)樵诨炷翝仓^(guò)程中可能導(dǎo)致預(yù)留孔道發(fā)生偏移，另外預(yù)應(yīng)力鋼絞線編束后的剛度會(huì)變大，有時(shí)不能很好地配合孔道的彎曲變化而變化，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋穿束困難。所以，本工程決定還是采用先穿法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋穿束，穿束完成后必須采用塑料薄膜包裹好外露的預(yù)應(yīng)力筋，避免其在澆筑過(guò)程中受到混凝土等污染。先穿束法在混凝土澆筑過(guò)程中必須有施工人員對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行來(lái)回抽動(dòng)，這樣可以避免因?yàn)榭椎缆{導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋黏結(jié)后而影響后期的張拉過(guò)程。

3.張拉預(yù)應(yīng)力筋

從施工前期的準(zhǔn)備工作可以看出，本工程采用雙控技術(shù)進(jìn)行張拉，并采用分批對(duì)稱的方式進(jìn)行張拉。張拉過(guò)程中須將張拉力分成三階段進(jìn)行控制，本工程分段控制情況如表4所示。每個(gè)張拉階段均需對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)值進(jìn)行測(cè)量并記錄，本工程兩束預(yù)應(yīng)力筋的最終伸長(zhǎng)值分別為269和251，在理論計(jì)算值的6%的誤差范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

表4 張拉預(yù)應(yīng)力筋三階段控制值

張拉預(yù)應(yīng)力筋過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)榛炷琳駬v不密實(shí)或混凝土受壓不均導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，這時(shí)需要停止加載并卸除原施加的荷載，并采用環(huán)氧高強(qiáng)混凝土進(jìn)行混凝土補(bǔ)強(qiáng)，然后再重新進(jìn)行張拉。張拉過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)斷絲和滑絲的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因較多，如鋼絞線自身的存在缺陷、錨夾具與預(yù)應(yīng)力筋不配套、張拉力未控制好等均會(huì)造成斷絲；錨具夾片的硬度不足、夾片與預(yù)應(yīng)力筋之間存在油等雜質(zhì)等原因?qū)е骂A(yù)應(yīng)力筋滑絲。所以在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉之前，技術(shù)人員要充分檢查好各設(shè)備的安裝情況是否滿足張拉的要求以及設(shè)備材料的強(qiáng)度是否滿足要求等，盡可能避免出現(xiàn)滑絲或者斷絲的現(xiàn)象。

4.孔道灌漿

灌漿料的配合比由相關(guān)資質(zhì)公司提供，灌漿料配合好后應(yīng)先濾除其中的雜質(zhì)，再進(jìn)行灌漿。當(dāng)漿料灌滿孔道后需堵塞住泌水孔，然后繼續(xù)灌漿，直至排氣孔排除的漿料稠度與灌漿料相當(dāng)時(shí)再封閉排氣孔。之后應(yīng)繼續(xù)加壓，待壓力在0.5MPa～0.7Mpa范圍內(nèi)持續(xù)2min后方可封閉灌漿孔。拆除模板前必須確定灌漿強(qiáng)度是否已經(jīng)達(dá)到100%，這是為了確保構(gòu)件的整體性和耐久性能滿足使用要求。

灌漿過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)通氣孔不會(huì)有漿料流出或溢水孔冒出的漿液稀薄。造成這種原因的情況較多，可能是配合比不合適、灌漿前未濕潤(rùn)孔道，導(dǎo)致漿料的水分被孔道吸收而造成漿料的流動(dòng)性差或者孔道堵塞等情況造成的。所以,灌漿前應(yīng)濕潤(rùn)孔道，選用流動(dòng)性好的灌漿料配合比，或者添加一些添加劑來(lái)提高灌漿料的和易性等方法改善這些情況。

5.切割封錨

灌漿完成后，在距錨具外側(cè)35mm處用鐵絲進(jìn)行綁扎后用砂輪進(jìn)行切割，這樣可以防止預(yù)應(yīng)力筋松散。切割完成后，清理干凈錨具及外露預(yù)應(yīng)力筋并涂刷一層防水涂料，再進(jìn)行支模并完成混凝土澆筑?；炷翝仓?h后即可拆模，然后進(jìn)行表面處理，確保其表面與梁端保持齊平。

本文主要以WKL3為研究對(duì)象，通過(guò)理論知識(shí)和有限元理論一起對(duì)預(yù)應(yīng)力框架梁進(jìn)行分析。不僅驗(yàn)證了理論計(jì)算的可靠性，更為施工階段的張拉過(guò)程提供了有效的參考作用，提高了預(yù)應(yīng)力框架梁的可靠性和耐久性。最后論述了后張法預(yù)應(yīng)力施工工藝的主要技術(shù)，各施工工藝存在的常見(jiàn)問(wèn)題以及改進(jìn)措施。本工程最后通過(guò)回彈法和混凝土試塊的抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，進(jìn)一步論證了施工工藝的合理性。