大型體育館預(yù)應(yīng)力變截面梁綜合施工技術(shù)

王祺國(guó)

上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080

預(yù)應(yīng)力變截面梁在大跨度建筑工程項(xiàng)目中的應(yīng)用已十分普遍，在應(yīng)用層面上，從模板選型、排架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)置到施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)加固等方面都有了較為成熟的技術(shù)手段[1-4]。本文根據(jù)項(xiàng)目的建筑方案及現(xiàn)場(chǎng)情況，合理利用梁模板、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，同時(shí)，面對(duì)施工的重難點(diǎn)，提出并實(shí)施后張法施工，再運(yùn)用防治結(jié)合的措施預(yù)防和處理可能出現(xiàn)的裂縫并加固結(jié)構(gòu)體系，從而保障建筑結(jié)構(gòu)的安全。

1 工程概述

背景工程為復(fù)旦大學(xué)新建江灣校區(qū)綜合體育館項(xiàng)目，位于楊浦區(qū)新江灣城西北部，東鄰淞滬路、西鄰國(guó)權(quán)北路、南鄰殷行路、北鄰國(guó)帆路。項(xiàng)目地上3層、地下1層，總建筑面積28 800 m2，包括游泳館、大廳、籃排球、羽毛球訓(xùn)練館、多功能廳等空間（圖1）。

1.1 建筑概況

圖1 項(xiàng)目效果圖

本工程為丙級(jí)及以下體育建筑，主要功能為校園游泳館（含1個(gè)教學(xué)泳池、1個(gè)比賽泳池）與校園風(fēng)雨操場(chǎng)，地下設(shè)有停車(chē)庫(kù)。

地上共3層，建筑高度為23.995 m。一層為游泳館、大廳、多用廳、變電室、消控室、防倒塌棚架，建筑層高5.4 m；二層為健身房、多功能廳，建筑層高5.4 m；三層為籃排球、羽毛球訓(xùn)練館、多功能廳，建筑層高分別為5.4、14.2 m。

1.2 結(jié)構(gòu)概況

本工程主體建筑結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架結(jié)構(gòu)（配少量剪力墻），地基基礎(chǔ)采用平板式樁筏基礎(chǔ)，樁基類型為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土空心方樁。

2個(gè)泳池頂均為大跨度變截面預(yù)應(yīng)力梁，預(yù)應(yīng)力框架梁采用后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力筋采用φ15.2 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，墊板采用焊接補(bǔ)筋，并與箍筋焊牢。預(yù)應(yīng)力梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，位于游泳池上方，雙泳池空間共計(jì)28根跨度42 m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁。

本工程屋面結(jié)構(gòu)為2個(gè)雙層場(chǎng)館組合的大空間結(jié)構(gòu)，屋蓋采用大跨度倒三角空間鋼管桁架。場(chǎng)館主桁架跨度為42 m，間距8.4 m，兩側(cè)懸挑2.8 m。鋼屋蓋與混凝土柱頂采用錨栓埋件的連接方式。

1.3 重、難點(diǎn)概述

1）本工程主要難點(diǎn)為大跨度預(yù)應(yīng)力梁模板及排架的選型以及預(yù)應(yīng)力梁施工過(guò)程中的質(zhì)量控制。同時(shí)，結(jié)構(gòu)裂縫的預(yù)防和控制也是一大難點(diǎn)。

2）大構(gòu)件尺寸、大跨度和高層位影響到施工中模板承受的最大線荷載，模板搭設(shè)面臨很大的難度，必須在施工過(guò)程中嚴(yán)格監(jiān)控模板位移參數(shù)。

3）變截面梁的典型特點(diǎn)是，從支座到跨中的延伸中梁截面不斷增大，加之曲線形的梁底端，給模板搭設(shè)帶來(lái)很大的難度。

4）變截面梁內(nèi)含較多的鋼筋，而且會(huì)隨著截面發(fā)生不同的變化，對(duì)鋼筋的安裝和有效固定造成障礙，也就是說(shuō)梁內(nèi)箍筋的規(guī)格隨著截面尺寸的變化而改變，混亂的箍筋現(xiàn)象很普遍，對(duì)鋼筋保護(hù)層的控制造成難度。

5）變截面梁是大跨度有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力梁，內(nèi)部的鋼筋縱橫交錯(cuò)，且預(yù)埋件遍布，給混凝土澆筑時(shí)的振搗工作帶來(lái)阻礙，增加了施工的難度。

2 大跨度變截面預(yù)應(yīng)力梁模板選型

本工程主要采用預(yù)應(yīng)力梁，由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)本身的特殊性，導(dǎo)致模板的選擇會(huì)對(duì)整個(gè)工程的進(jìn)度及成本帶來(lái)較大的影響。在大跨度預(yù)應(yīng)力梁的模板選擇上，一般有木膠合模板、大鋼模板或塑料模板三類形式。各類模板的特性如下：

1）木膠合模板。優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、加工輕便、活動(dòng)性好、造價(jià)低廉、工人操作習(xí)慣等。缺點(diǎn)：不成體系，模架分開(kāi)，安全風(fēng)險(xiǎn)高；周轉(zhuǎn)次數(shù)少；產(chǎn)生大量垃圾，對(duì)環(huán)境污染大；成形效果一般。

2）大鋼模板。優(yōu)點(diǎn)：使用靈活、通用性強(qiáng)、制作精確、質(zhì)量較高、拆裝靈活、搬運(yùn)方便、耐久性好，適用于組合拼裝，工程結(jié)構(gòu)整體性好。缺點(diǎn)：質(zhì)量較大，搬運(yùn)不方便且費(fèi)用高；變形維護(hù)成本高；基本只能使用于一個(gè)特定項(xiàng)目，成本高。

3）塑料模板。優(yōu)點(diǎn)：性能卓越，品質(zhì)優(yōu)良；施工便捷，周轉(zhuǎn)率高；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)用性強(qiáng)。缺點(diǎn)：非標(biāo)件投入成本高，主要體現(xiàn)在開(kāi)模具成本高昂而利用率比較低；標(biāo)準(zhǔn)化模板配模率只有90%，形成不了完整的體系（特別是非標(biāo)部分），無(wú)法實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的全覆蓋。

綜上所述，考慮到本工程體量不算特大及存在大跨度預(yù)應(yīng)力梁這些特點(diǎn)，可知大鋼模板和塑料模板的成本會(huì)相對(duì)較高、不夠經(jīng)濟(jì)，而單純用木膠合模板則有可能會(huì)面臨施工可靠性不足的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)研究分析，最終本項(xiàng)目采取了一定的技術(shù)措施，即：在支模過(guò)程中，在木膠合模板側(cè)面增加大量背楞以保證結(jié)構(gòu)施工的可靠性。

3 大跨度變截面預(yù)應(yīng)力梁排架系統(tǒng)

本工程上部3 層結(jié)構(gòu)區(qū)域大梁截面尺寸為700 mm×2 000 mm、700 mm×2 500 mm，梁頂標(biāo)高10.75 m，梁底排架搭設(shè)高度13.75 m。上部結(jié)構(gòu)超高超重梁的排架地基結(jié)構(gòu)形式為厚400 mm地下室底板，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

若采用常規(guī)鋼管扣件式排架系統(tǒng)，則700 mm×2 500 mm大梁底部的排架鋼管縱向間距為350 mm，梁底立桿數(shù)量為2根，且頂部必須為雙扣件。如此密度的鋼管排架搭設(shè)施工難度極大，且進(jìn)度較慢，扣件的擰緊與否直接關(guān)系到排架系統(tǒng)的穩(wěn)定，施工可行性較低。

若采用盤(pán)扣式排架系統(tǒng)，則受力形式直接、簡(jiǎn)單，承載力高，便于質(zhì)量把控與驗(yàn)收，尤其適用于超高超重模板系統(tǒng)。因此本項(xiàng)目采承插型盤(pán)扣式排架系統(tǒng)。

根據(jù)計(jì)算，大梁底部的排架鋼管縱向間距為600 mm，梁底立桿數(shù)量為2根并需采用頂托?？紤]到施工可行性，700 mm×2 500 mm梁底2根立桿間距設(shè)為300 mm，既可保證結(jié)構(gòu)安全，又能保證施工的方便（圖2）。

在高支?；炷翝仓倪^(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)排架體系進(jìn)行了持續(xù)性的沉降觀測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為：在模板支撐體系完成后監(jiān)測(cè)一次；澆筑混凝土過(guò)程中實(shí)施監(jiān)測(cè)，每次監(jiān)測(cè)間隔不超過(guò)30 min；在混凝土澆筑完成后監(jiān)測(cè)一次。沉降觀測(cè)結(jié)果為：梁（板）底立桿沉降未超過(guò)10 mm，梁水平位移未超過(guò)5 mm，滿足安全要求。

4 大跨度變截面預(yù)應(yīng)力梁施工技術(shù)

本項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力梁采用有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)（圖3），采用后張法施工。施工工藝需要綜合考慮鋼絞線下料、模板支設(shè)、普通鋼筋鋪設(shè)、支架鋼筋鋪設(shè)、預(yù)應(yīng)力筋鋪放、張拉端錨具埋設(shè)、隱蔽工程驗(yàn)收、混凝土澆搗以及混凝土達(dá)到強(qiáng)度后的張拉、灌漿等一系列的流程操作。以下主要對(duì)施工過(guò)程中容易遇到的難、特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

1）錨墊板端部澆筑混凝土產(chǎn)生空洞導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)錨具內(nèi)陷。處理方法：將端部退錨；將空洞的混凝土鑿除；重新支模板；澆筑高一級(jí)別并添加了微膨脹劑的混凝土（若混凝土澆筑有困難，則采用高強(qiáng)灌漿料代替混凝土，步驟同前）；養(yǎng)護(hù)至100%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度；重新張拉至控制應(yīng)力。

圖2 排架搭設(shè)示意

圖3 預(yù)應(yīng)力梁示意

2）由于擠壓錨失效使張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線時(shí)固定端失去作用。處理方法：將已經(jīng)張拉的部分預(yù)應(yīng)力鋼絞線退錨；在固定端鑿除混凝土，露出固定端；將固定端已經(jīng)失效的預(yù)應(yīng)力鋼絞線抽出重新進(jìn)行擠壓；澆筑固定端混凝土并養(yǎng)護(hù)至 100%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度；重新張拉至控制應(yīng)力。

3）發(fā)生預(yù)應(yīng)力管道堵塞的情況。預(yù)防和處理方法：波紋管堵塞一般是由于波紋管接頭不密封或波紋管破裂后，混凝土中的砂漿進(jìn)入管道造成的。梁體澆筑完混凝土后，應(yīng)及時(shí)安排工人在梁的兩端抽動(dòng)鋼絞線，這樣，在堵塞不嚴(yán)重的情況下，由于混凝土尚未結(jié)硬，通過(guò)抽動(dòng)鋼絞線可將砂漿清理出孔道。如果孔道堵塞不嚴(yán)重，灌漿時(shí)漿體尚能完全通過(guò)整根孔道，但孔道的有效面積會(huì)縮小，此時(shí)采用低水灰比的水泥漿，壓漿時(shí)會(huì)因水泥漿太稠而無(wú)法通過(guò)堵塞處。對(duì)此，可在規(guī)范允許范圍內(nèi)采用最高的水灰比和壓漿壓力。如果孔道堵塞嚴(yán)重，可以將鋼絞線先抽出孔道，采用鐵球疏通的方法將孔道清理干凈后，再將鋼絞線穿入進(jìn)行張拉灌漿。由于砂漿具有質(zhì)脆易碎的特點(diǎn)，在一定的壓力作用下容易破碎。因此，在充分掌握了孔道堵塞的情況后，可用適當(dāng)直徑的鐵球?qū)Χ氯幍纳皾{采取逐步破碎，逐步清除直至通暢的處理方法。處理時(shí)，先把直徑較小但能勉強(qiáng)通過(guò)孔道的鐵球，在卷?yè)P(yáng)機(jī)的帶動(dòng)下，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)的拉力把孔道擴(kuò)大后，使小球能順暢通過(guò)，然后用空壓機(jī)或水把破碎后的砂漿清出管道。

5 裂縫控制與結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

本項(xiàng)目由于設(shè)計(jì)自身原因，預(yù)應(yīng)力梁的剛度相較于與其連接的普通混凝土樓板差，因此梁與樓板連接區(qū)域極易出現(xiàn)裂縫?？紤]到可能出現(xiàn)的裂縫，現(xiàn)場(chǎng)采用防治結(jié)合的措施進(jìn)行處理[5-6]。預(yù)防是在施工前采取相應(yīng)措施避免裂縫的出現(xiàn)，治理則是在出現(xiàn)裂縫后對(duì)裂縫加以處理以保證結(jié)構(gòu)的安全。

防止裂縫的措施：嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，主要是控制混凝土的配合比；做好施工質(zhì)量控制，主要是對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)要滿足規(guī)范要求，保證混凝土能夠達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后方可進(jìn)行模板拆除的工作；增加施工措施，在梁與樓板連接處增設(shè)鋼絲網(wǎng)片以保證連接處的強(qiáng)度，避免裂縫的產(chǎn)生。

治理裂縫的措施：先對(duì)裂縫的特點(diǎn)進(jìn)行分析，確認(rèn)是否為無(wú)害裂縫，如果裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生了影響，則需要進(jìn)行加固處理。

考慮到本工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，對(duì)有害裂縫采用碳纖維材料進(jìn)行加固處理[7-8]。具體加固方法如下：

1）對(duì)于板底的不規(guī)則裂縫，采取碳纖維片材補(bǔ)強(qiáng)加固。加固前必須先處理掉混凝土表面的浮灰與油脂，再進(jìn)行碳纖維片材粘貼加固。

2）項(xiàng)目的碳纖維片材必須采用300 g高強(qiáng)度Ⅰ級(jí)碳纖維布，厚度0.167 mm。碳纖維規(guī)格為寬200 mm，凈距100 mm，碳纖維片材沿板底以井字格的方式，雙層雙向進(jìn)行粘貼。

3）待碳纖維布加固施工完成后，進(jìn)行表面噴砂防護(hù)并用膩?zhàn)诱移?，表面刷黑色環(huán)氧樹(shù)脂2道進(jìn)行防護(hù)處理。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以復(fù)旦大學(xué)新建江灣校區(qū)綜合體育館項(xiàng)目為例，對(duì)大跨度變截面預(yù)應(yīng)力梁模板選型、排架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、預(yù)應(yīng)力梁施工以及裂縫控制與結(jié)構(gòu)加固等內(nèi)容進(jìn)行了介紹。在主體施工難度大、施工技術(shù)手段要求高、安全性要求高的條件下，實(shí)際施工效果較為理想，可行性強(qiáng)。其施工體系穩(wěn)定可靠、合理性高，對(duì)于項(xiàng)目重、難點(diǎn)的分析研判到位，處理方案可行。

本項(xiàng)目為今后同類型建筑的設(shè)計(jì)與施工提供了一些可以借鑒的內(nèi)容。未來(lái)可從進(jìn)一步優(yōu)化施工工序及工藝、精細(xì)化計(jì)算控制材料成本、新材料應(yīng)用等方向開(kāi)展更深入的研究，形成更具推廣價(jià)值的應(yīng)用技術(shù)。