多層大面積預(yù)應(yīng)力快速張拉技術(shù)研究與應(yīng)用

李 陽，張志威，王振宇，蘭文臣，夏海杰

（中國建筑第八工程局有限公司，北京 100097）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，大型公共建筑工程越來越趨于空間大、構(gòu)件尺寸小、型式復(fù)雜、承載能力大的特點(diǎn)，使得預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大型公共建筑工程中運(yùn)用廣泛。在北京大興國際機(jī)場(chǎng)停車樓工程中，其預(yù)應(yīng)力管道相對(duì)于鋼筋而言是較大的軀體，在密集的鋼筋骨架中通過就顯得有些困難。在工程快速建造的迫切壓力下，預(yù)應(yīng)力張拉與下部支撐架體拆除的矛盾也是一個(gè)擋在快速前進(jìn)路上的絆腳石。該工程從土方、樁基施工到工程竣工，體量巨大、工序多、穿插施工多、周轉(zhuǎn)料具投入量大、建設(shè)要求高，工期緊張，預(yù)應(yīng)力復(fù)雜節(jié)點(diǎn)問題和架體周轉(zhuǎn)工期緊張問題較為突出。

1 工程概況

北京大興國際機(jī)場(chǎng)定位為大型國際航空樞紐，是展現(xiàn)中國國家形象的新國門，受到社會(huì)各界廣泛關(guān)注，社會(huì)影響大。承建該工程意義大，責(zé)任大。習(xí)近平總書記在視察北京大興國際機(jī)場(chǎng)時(shí)指出，大興國際機(jī)場(chǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、建設(shè)工期緊、施工難度大，全體建設(shè)者辛勤勞動(dòng)、共同努力，高質(zhì)量地完成了任務(wù)，把大興國際機(jī)場(chǎng)打造成為精品工程、樣板工程、平安工程、廉潔工程，向黨和人民交上了一份令人滿意的答卷。

北京新機(jī)場(chǎng)停車樓及綜合服務(wù)樓工程位于北京大興國際機(jī)場(chǎng)航站樓北側(cè)，占地面積約 15 萬 m2，總建筑面積 50.3 萬 m2。由地下的軌道交通北段及地上的東西兩個(gè)停車樓、中間的綜合服務(wù)樓 3 大部分組成。其中地下軌道交通（北段）約 10.7 萬 m2，兩座停車樓 26.4 萬m2。地上 3 層結(jié)構(gòu)，平面占地面積大、型式復(fù)雜、荷載大，在梁板中均采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)來控制結(jié)構(gòu)撓度與裂縫并提供部分承載力，以此提高結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)性能。工程效果如圖 1 所示。

圖1 工程效果圖

北京新機(jī)場(chǎng)停車樓及綜合服務(wù)樓工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有勁型鋼結(jié)構(gòu)、屈曲支撐等，外部連橋?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)，綜合服務(wù)樓屋頂為鋼結(jié)構(gòu)托金屬板造型，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。

本工程預(yù)應(yīng)力區(qū)域所占面積大，約 50.3 萬 m2，鋼絞線總量約 5 000 t，跨度大，采用了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)：用于本工程軌道交通地下部分的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，軌道交通 -6.6 m 層梁，鋼絞線用量約 580 t，以抵抗大跨度及上部結(jié)構(gòu)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件性能。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)：用于本工程 -2.0 m 結(jié)構(gòu)梁板及停車樓地上結(jié)構(gòu)，鋼絞線用量約 4 280 t，以實(shí)現(xiàn)停車樓的大跨度功能。

2 工程難點(diǎn)及特點(diǎn)

2.1 工程意義重大

工程體量巨大，混凝土總用量達(dá) 110 萬m3，鋼筋16 萬 t，土方開挖量 210 萬 m3，工程樁和支護(hù)樁 9 000 余根。工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大跨度及高大空間多；裝飾裝修和機(jī)電工程工程層多、面廣、系統(tǒng)復(fù)雜。工期要求 2016 年 4 月27 日開工，2017 年 4 月 30 日完成地下結(jié)構(gòu)，2017 年 12 月31 日完成封圍封頂，還需經(jīng)歷冬季、雨季和春節(jié)，對(duì)工期影響較大。從土方、樁基施工到工程竣工，工序多、穿插施工多、周轉(zhuǎn)料具投入量大、建設(shè)要求高，工期緊張。

2.2 軌道頂板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層預(yù)應(yīng)力布設(shè)面積大且布設(shè)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜

工程地下 2 層為軌道交通站臺(tái)層，高鐵、地鐵、快軌等線路穿越工程下部，軌道交通地下 2 層結(jié)構(gòu)頂板為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)包括框支梁、梁上起柱、勁型結(jié)構(gòu)等；同時(shí)還包括大面積預(yù)應(yīng)力鋼筋分布，設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。

工程預(yù)應(yīng)力分為有粘結(jié)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力兩種，分布面積 37.1 萬 m2，預(yù)應(yīng)力筋 2 752 t，大預(yù)應(yīng)力分布于地下 1 層軌道交通頂部梁板、首層板及停車樓地上梁板，分布廣，安裝量大。在梁柱交叉位置，普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋相互穿插，工期緊，易出現(xiàn)不合格情況影響結(jié)構(gòu)安全，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫，施工中加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量控制和細(xì)部節(jié)點(diǎn)深化是保證結(jié)構(gòu)安全的施工重難點(diǎn)。

2.3 軌道交通頂部高大模板投入量大且危險(xiǎn)性大

本工程地下 2 層軌道交通面積為 10 萬 m2，整層高度為 11.65 m，頂部梁板截面大。模板支架屬超過一定規(guī)模危險(xiǎn)性較大的工程，且一次投入量大。高大模板及其支架施工的危險(xiǎn)性較大，其支撐體系強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性是保證結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量、安全的關(guān)鍵，拆除時(shí)間越晚存在的風(fēng)險(xiǎn)越大。

3 項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力施工存在的問題

3.1 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力管道在梁柱節(jié)點(diǎn)無法通過

軌道交通及停車樓結(jié)構(gòu)均為大跨度結(jié)構(gòu)，為更有效地保證空間和大跨度功能，構(gòu)件存在尺寸小、鋼筋密的特點(diǎn)，在梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋極其密集，存在有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力管道無法通過的情況。以最簡(jiǎn)單的框架節(jié)點(diǎn)如KZLB-G10（XL06-XL02）框架梁為例進(jìn)行說明。該框梁截面 1 4 0 0 m m×2 0 0 0 m m，預(yù)應(yīng)力配筋6×11φ15.2 mm有粘結(jié)鋼絞線。項(xiàng)目大部分有粘預(yù)應(yīng)力梁與此梁配筋類似，現(xiàn)以該梁及節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行施工分析。

此預(yù)應(yīng)力梁所對(duì)應(yīng)柱截面編號(hào)為方柱 E-KZZ1a，其中上部為圓柱 A-KZ1f，柱截面配筋如圖 2 所示。

圖2 柱截面配筋圖（單位：mm）

標(biāo)高 -6.6 m 下部方柱配筋為 36φ32 mm，鋼筋凈間距理論上為 86 mm。上部圓柱鋼筋需下伸約 1.8 m 左右，圓柱豎向筋水平向凈距為 14～95 mm。重合后如圖 3 所示。

圖3 柱配筋組合圖

上部圓柱與下部方柱豎向鋼筋重疊后，在波紋管穿行路徑方向，理論上鋼筋平面最大凈距不足 40 mm，再加上箍筋、拉鉤和施工偏差等致使此處鋼筋更為密集，而波紋管尺寸約 90 mm 以上，波紋管在圓柱范圍無法通過。如圖 4、圖 5 所示。

圖4 梁柱節(jié)點(diǎn)三維圖

圖5 波紋管通過柱三維圖

3.2 梁柱節(jié)點(diǎn)波紋管容易損壞

梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋密集，作為預(yù)應(yīng)力管道的波紋管勉強(qiáng)通過后極其擁擠，保護(hù)波紋管道的完整性是施工中的一大難題，稍有破壞、灌漿不密實(shí)，通常存在積水、管道堵塞、漏漿現(xiàn)象。鋼絞線在內(nèi)部容易受到銹蝕，會(huì)產(chǎn)生斷面虧損、應(yīng)力下降情況，耐久性受到影響，同時(shí)并不能實(shí)現(xiàn)有粘效果。

3.3 傳統(tǒng)支撐架體制約預(yù)應(yīng)力張拉

北京新機(jī)場(chǎng)停車樓及綜合服務(wù)樓工程地下 1 層板及地上停車樓部分均涉及預(yù)應(yīng)力筋分布，預(yù)應(yīng)力分布面積廣，跨度大，共計(jì)約 37.1 萬 m2。若上述預(yù)應(yīng)力分布區(qū)域采用傳統(tǒng)碗扣架體，立桿間距過小，空間有限，不滿足預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)條件；同時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉前下部支撐體系不得拆除，否則將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全，按此邏輯推理，只有在完成頂層預(yù)應(yīng)力張拉后方可對(duì)下部各樓層的架體依次進(jìn)行拆除，如此將造成大量架體材料無法周轉(zhuǎn)使用，架體一次性投入量極其巨大，且架體拆除時(shí)間滯后，無法及時(shí)插入下道工序施工。同時(shí)增加了架體租賃費(fèi)用，提高了項(xiàng)目成本。

3.4 梁托柱結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力張拉工藝復(fù)雜

因建筑造型、地下軌道交通和工藝流程需要，部分結(jié)構(gòu)柱落在結(jié)構(gòu)梁上，形成梁托柱結(jié)構(gòu)。該部位托柱梁采用有粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力工藝，該工藝施工工藝復(fù)雜，在進(jìn)行張拉時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)灌漿，耗時(shí)，提升了較大的時(shí)間成本，影響工期。

3.5 地下 2 層軌道交通區(qū)域移交節(jié)點(diǎn)時(shí)間緊張

地下 2 層軌道交通區(qū)域面積大，支撐架體高度超過10 m，模板和架體的拆除難度高，安全隱患較大，拆除和整理外運(yùn)的時(shí)間長。同時(shí)，若地下 1 層和停車樓地上部分采用傳統(tǒng)架體，難以按期完成施工任務(wù)。

4 方案選擇

4.1 預(yù)應(yīng)力張拉深化

在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉與架體整合設(shè)計(jì)時(shí)考慮施工簡(jiǎn)便，依據(jù)“施工圖設(shè)計(jì)總說明”，預(yù)應(yīng)力梁采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，同時(shí)考慮到緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)相關(guān)優(yōu)點(diǎn)，將停車樓和綜合服務(wù)樓結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁及大跨度梁等部位由粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力技術(shù)深化設(shè)計(jì)為緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)。該技術(shù)施工簡(jiǎn)便，大大縮短了張拉周期，提高張拉質(zhì)量，使得架體得到提前拆除。

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)［1］是繼無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力、有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)之后發(fā)展起來的一項(xiàng)新的預(yù)應(yīng)力技術(shù)。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)合了無粘結(jié)的施工特點(diǎn)，有粘結(jié)的力學(xué)特點(diǎn)，集兩者的優(yōu)點(diǎn)，布置靈活，采用單孔錨具，不需要穿波紋管、不需要灌漿。緩凝粘合劑固化后，在力學(xué)上最終達(dá)到有粘效果?，F(xiàn)根據(jù)有粘接和緩粘接兩種預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工工藝特點(diǎn)及具體施工條件進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1.1 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力與緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工工藝比較

1）有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力主要工序?yàn)椋捍┎y管→波紋管中穿鋼絞線→張拉→灌漿→封錨。

2）緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力主要工序?yàn)椋捍╀摻g線→張拉→封錨。

4.1.2 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)

1）緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力具有無粘結(jié)的工藝，有粘結(jié)的效果，施工方便快捷。

2）單根單孔布置，直徑?。?5.2 mm 緩粘結(jié)鋼絞線直徑只有 23 mm，21.8 mm 規(guī)格緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線直徑只有 30 mm），布置靈活。

3）從根本上規(guī)避了有粘預(yù)應(yīng)力普遍存在的空洞、積水等灌漿不密實(shí)情況，避免了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力所存在的各種施工質(zhì)量問題，保障了施工和有粘結(jié)的效果。

4）緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無需穿波紋管、無需加腋，施工非常簡(jiǎn)便且施工質(zhì)量易保障。張拉端可以隨意出，不用考慮洞口、高差和柱筋。

4.2 支撐架體深化設(shè)計(jì)

項(xiàng)目部大膽創(chuàng)新，在經(jīng)過對(duì)支撐體系的深化設(shè)計(jì)和市場(chǎng)考察后果斷突破傳統(tǒng)碗扣架體限制，在滿足預(yù)應(yīng)力張拉要求的同時(shí)結(jié)合工程大截面梁板構(gòu)造尺寸的特點(diǎn)，決定在地下 1 層以及停車樓地上使用承插型鍵槽式腳手架作為模板支撐架體。采用鍵槽架體可以加大立桿間距，為在架體內(nèi)部進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)提供了充足的空間。同時(shí)鍵槽架體受力穩(wěn)定，承載力強(qiáng)，抗傾覆能力強(qiáng)，架體搭拆速度快，減少了人工，加快了施工進(jìn)度。

5 施工重點(diǎn)技術(shù)剖析

多層大跨度預(yù)應(yīng)力快速張拉技術(shù)，在于采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與承插型鍵槽式腳手架相結(jié)合，可在下部架體拆除后進(jìn)行張拉，有充足的空間在架體內(nèi)部進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)，充分考慮預(yù)應(yīng)力張拉點(diǎn)位置，使立桿與張拉點(diǎn)避讓，保證了預(yù)應(yīng)力張拉在架體內(nèi)順利進(jìn)行。每層結(jié)構(gòu)達(dá)到張拉要求即可進(jìn)行張拉作業(yè)。每層結(jié)構(gòu)張拉完成后，由下層結(jié)構(gòu)至上層結(jié)構(gòu)拆除架體，與結(jié)構(gòu)流水施工，施工簡(jiǎn)便，大大縮短了張拉周期，提高張拉質(zhì)量，使得架體提前拆除。

5.1 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)

5.1.1 條件分析

1）本工程部分位置上部圓柱與下部方柱豎向鋼筋重疊后，在波紋管穿行路徑方向，理論上鋼筋平面最大凈距不足 40 mm，再加上箍筋、拉鉤和施工偏差等致使此處鋼筋更為密集，而波紋管尺寸約 90 mm 以上，波紋管在圓柱范圍無法通過。

2）梁柱節(jié)點(diǎn)處灌漿不密實(shí)，通常存在積水、管道堵塞、漏漿現(xiàn)象，鋼絞線在內(nèi)部容易受到銹蝕，會(huì)產(chǎn)生斷面虧損、應(yīng)力下降情況，耐久性受到影響，并不能實(shí)現(xiàn)有粘結(jié)效果。

3）單個(gè)有粘結(jié)張拉端錨墊板較大（250 mm×250 mm），需要做加腋（單個(gè)尺寸 3 500 mm×750 mm×750 mm，1.3 m3、3.3 t）處理，且整體較大，增加結(jié)構(gòu)自重。

4）柱筋較密，張拉端遇兩端均為洞口且不能做外凸（或梁側(cè)為洞口、高差無法做加腋），錨墊板無法安裝。

通過討論分析，對(duì)該種部位采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力主要工序?yàn)椋捍╀摻g線→張拉→封錨。

5.1.2 緩粘結(jié)技術(shù)的應(yīng)用

1）考慮支座受力影響，柱邊做 2 個(gè)小加腋（1 500 mm ×300 mm×2 000 mm 三角）分 2 束在柱外通過，其余 4 束柱內(nèi)通過，預(yù)應(yīng)力重新孔道排布。如圖 6 所示。

圖6 中間 2 束改緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力圖

2）束有粘結(jié)管道兩端對(duì)調(diào)，各出 2 個(gè)張拉端（9 孔錨具），單個(gè)加腋可減小到 2 000 mm×450 mm×450 mm（0.18 m3、0.45 t），減輕結(jié)構(gòu)自重（單個(gè)柱子負(fù)重最大1.8 t），遇到洞口或降板無法做加腋的非托柱梁跨可適當(dāng)更改。

5.1.3 實(shí)施效果

本工程采用緩粘結(jié)施工技術(shù)，通過增設(shè)了緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋，解決復(fù)雜梁柱節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力鋼筋貫穿問題。

5.2 預(yù)應(yīng)力張拉與架體整合設(shè)計(jì)

5.2.1 架體支撐

地下 1 層以及停車樓地上使用承插型鍵槽式腳手架作為模板支撐架。通過選用鍵槽架體代替?zhèn)鹘y(tǒng)碗扣架體，將立桿間距由 600～900 mm 擴(kuò)大至 1 200 mm，立桿平面布置考慮預(yù)應(yīng)力張拉點(diǎn)位置，使立桿與張拉點(diǎn)避讓，為在架體內(nèi)部進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)提供了充足的空間，保證了預(yù)應(yīng)力張拉在架體內(nèi)順利進(jìn)行，如圖 7 所示。編制鍵槽架體施工方案時(shí)，繪制詳細(xì)的立桿平面布置圖，充分考慮預(yù)應(yīng)力張拉點(diǎn)位置，使立桿與張拉點(diǎn)避讓，保證了預(yù)應(yīng)力張拉在架體內(nèi)順利進(jìn)行，如圖 8 所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)樣板

圖8 架體與張拉節(jié)點(diǎn)位置示意圖（單位：mm）

5.2.2 預(yù)應(yīng)力張拉

將停車樓和綜合服務(wù)樓結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁及大跨度梁等部位由粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力技術(shù)深化設(shè)計(jì)為緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)。張拉順序由上至下（見圖 9）改為由下至上（見圖 10），該技術(shù)施工簡(jiǎn)便，大大縮短了張拉周期，提高張拉質(zhì)量，使得架體得到提前拆除。

圖9 原方案張拉工序圖

圖10 優(yōu)化預(yù)應(yīng)力張拉工序圖

5.2.3 實(shí)施效果

采用鍵槽支撐體系，突破了傳統(tǒng)碗扣架體由于空間小而不能及時(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉的瓶頸；同時(shí)因托柱梁區(qū)域改變了預(yù)應(yīng)力施工工藝，大大提高了張拉效率，縮短了預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間，使得停車樓架體如期拆除，最終項(xiàng)目部提前 45 d 完成架體拆除及清理工作，地下軌道交通區(qū)域如期移交，得到了業(yè)主的表揚(yáng)與肯定。

鍵槽架體的如期拆除，在保證移交工期的同時(shí)，使得拆除的架體能夠及時(shí)地進(jìn)行周轉(zhuǎn)使用，大大提高了料具的周轉(zhuǎn)效率，避免了因料具周轉(zhuǎn)率低而造成料具租賃費(fèi)用增加，最終節(jié)約了項(xiàng)目成本，直接節(jié)省架體租賃費(fèi)用 2 356 萬元。

6 結(jié)語

通過該技術(shù)的應(yīng)用，不僅解決了預(yù)應(yīng)力管道貫穿鋼筋節(jié)點(diǎn)的問題，同時(shí)解決了預(yù)應(yīng)力張拉與架體拆除的矛盾，節(jié)約工期 45 d，經(jīng)濟(jì)效益達(dá) 2 356 萬元。值得在類似工程中推廣使用。

北京新機(jī)場(chǎng)停車樓及綜合服務(wù)樓工程，是國家重點(diǎn)工程，備受社會(huì)各界關(guān)注，其重要性不言而喻。通過對(duì)新技術(shù)的研究可以推動(dòng)生產(chǎn)力，提高了其工程質(zhì)量，降低成本，縮短工期，增加了經(jīng)濟(jì)效益。此外新技術(shù)的研發(fā)還可以提高企業(yè)管理水平和技術(shù)水平，為企業(yè)積累技術(shù)資產(chǎn)，提高企業(yè)知名度。