大跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

王子龍

【摘要】近年來，隨著預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)越來越多地應(yīng)用于大型會(huì)展中心、超大型及超工業(yè)建筑、超大型地下車庫等超長連續(xù)結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布的變化，特別是在預(yù)應(yīng)力梁的連接部位，更為復(fù)雜;預(yù)應(yīng)力混凝土梁在施工階段的荷載效應(yīng)可能大于正常運(yùn)行階段;另外，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝復(fù)雜，施工過程中難以避免出現(xiàn)問題。因此，有必要進(jìn)一步研究預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和關(guān)鍵施工技術(shù)，它不僅關(guān)系到設(shè)計(jì)的合理性和施工的安全性，而且直接影響到工程的進(jìn)度和造價(jià)。本文以會(huì)議中心展廳為背景，主要研究內(nèi)容如下：在均布荷載作用下，對梁端之間腋下肌肉預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了理論研究，采用Midas有限元軟件建立實(shí)體模型，將連續(xù)梁與預(yù)應(yīng)力梁相結(jié)合，分析了相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布 在預(yù)應(yīng)力次梁施工階段，利用midasgen軟件對三種不同的張拉順序進(jìn)行約束，計(jì)算三種不同張拉順序?qū)吜簯?yīng)力和位移的影響，選擇合理的張拉順序; 對于預(yù)應(yīng)力混凝土梁，普通混凝土鋪設(shè)困難，預(yù)應(yīng)力鋼筋容易在鋼筋正常位置發(fā)生碰撞等施工問題，為今后類似工程提供施工經(jīng)驗(yàn)，文章中的內(nèi)容和觀點(diǎn)，僅供大家參考。

【關(guān)鍵詞】大跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);有限元分析;搭接節(jié)點(diǎn);張拉順序;施工技術(shù)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

17.001

緒論

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對建筑的小型化已經(jīng)不滿足，建筑體積也在不斷增大，如大型會(huì)展中心、超級工業(yè)大廈、超大地下車庫、航站樓、購物中心等，對于這些大空間的施工，建筑師和業(yè)主往往提出不設(shè)滑動(dòng)縫的要求，這必然導(dǎo)致混凝土超長連續(xù)結(jié)構(gòu)的形成。對于超長混凝土結(jié)構(gòu)的連續(xù)結(jié)構(gòu)，《混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》（GB50010-2010）有具體的定義，根據(jù)結(jié)構(gòu)在建筑平面內(nèi)一側(cè)的長度明顯大于安裝時(shí)受拉焊縫之間的距離的事實(shí)，混凝土為超長連續(xù)結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距見表8.1.1，可見本規(guī)范要求的最大間距室內(nèi)或地面框架設(shè)計(jì)為100m，室外框架設(shè)計(jì)為70m;骨架結(jié)構(gòu)分為組裝式和填充式，組裝式室內(nèi)或地下75m，室外50m，室內(nèi)或土中現(xiàn)澆55m，室外35m;剪刀墻設(shè)計(jì)要求室內(nèi)或地下45m現(xiàn)澆，室外30m。近年來，我國超大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)建成后，結(jié)構(gòu)長度超過100米，在這些超長連續(xù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，通常都是提前選擇應(yīng)力等技術(shù)來解決問題，這與結(jié)構(gòu)的超長有關(guān)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)截面或截面過大，截面控制抗裂性不符合要求。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁合理分離后，在一些梁柱節(jié)點(diǎn)處形成預(yù)應(yīng)力鋼連接是不可避免的，目前，整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與施工主要集中在以下幾個(gè)方面，目前國內(nèi)對后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的表示方法和構(gòu)造細(xì)節(jié)的研究較少，因此有必要對這種結(jié)構(gòu)的梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。普通設(shè)計(jì)中的預(yù)應(yīng)力混凝土梁通常是一次加載到結(jié)構(gòu)中的張拉荷載，然而預(yù)應(yīng)力混凝土的施工過程復(fù)雜，張拉選擇順序不同，不同張拉施工階段的內(nèi)位移序列與整體結(jié)果分析仍有一定差距，是否影響施工安全。因此，有必要對預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工過程中的張拉順序進(jìn)行研究和分析。

一、預(yù)應(yīng)力混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模擬分析

1.工程概況

國際會(huì)展中心項(xiàng)目總面積48.2萬平方米。截至2000年3月31日，香港市住宅物業(yè)總面積為250000平方米，其中350000平方米為270000平方米。每平方米土地面積為12.5萬平方米。地下設(shè)施。包括一個(gè)登記大廳、四個(gè)單層展館、四個(gè)雙層展館、一個(gè)多功能雙層展館、酒店及其配套家庭、南方綜合體及其附屬家庭。本項(xiàng)目多功能雙層展廳由五個(gè)展廳（b1-b5）組成。本工程b1-b5展廳為15.00m高層結(jié)構(gòu)，標(biāo)高195m× 90米-195米× 99m，均超過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（gb50010-2010）的要求。最大張拉間距太長，大面積預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，建筑表面不設(shè)15000米大跨度梁（x跨L=27米和36米，y跨L=17.65米、22.65米和24米），故采用前離合后張拉技術(shù)圖。

2.參數(shù)的選取與模型的建立

等效于Midas荷載的預(yù)應(yīng)力疊加法，而預(yù)應(yīng)力筋法是一種廣泛應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力方法，特別是等效荷載法將預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為等效線性荷載或集中荷載，然后將等效線性荷載或集中荷載作為簡化方法施加到結(jié)構(gòu)上，等效荷載法不需要建立預(yù)應(yīng)力筋塊，同樣顯而易見的是，在不考慮預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際位置和預(yù)應(yīng)力損失的情況下，通常只適用于簡單的應(yīng)力結(jié)構(gòu)。與等效荷載法相比，實(shí)體配筋法能準(zhǔn)確模擬預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，并能考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)。在Midas中，預(yù)應(yīng)力在鋼材生產(chǎn)中要容易得多，而不是在預(yù)應(yīng)力鋼筋安裝單元的兩側(cè)引入張力。由于展廳面積較大，本章主要選取展廳2.61620.2跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架進(jìn)行模擬，以更準(zhǔn)確地反映兩種纖維對梁節(jié)點(diǎn)的影響，充分考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，仿真中采用了實(shí)體肌肉法。由于拉拔兩端采用預(yù)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力控制在鋼絲強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的0.75倍，因此在軟件中引入了預(yù)應(yīng)力，張拉電壓為186061620× 始端0.75=1395MPa 按模型網(wǎng)格，即按模型網(wǎng)格，即按模型網(wǎng)格。對于結(jié)構(gòu)的重要部位，如幾何變化較大的部位、材料或特征變化的部位，最好對網(wǎng)格進(jìn)行詳細(xì)細(xì)分，以控制整個(gè)模型中的單元數(shù)。網(wǎng)格分裂形成的單元可以是四邊形或六邊形。與這兩種方法相比，四邊形網(wǎng)格具有更大的剛度，這也決定了六邊形網(wǎng)格的精度遠(yuǎn)高于四邊形網(wǎng)格。本章采用兩種不同張拉方式的預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁模型進(jìn)行合理規(guī)劃，混凝土結(jié)構(gòu)采用六主自動(dòng)網(wǎng)，分為200mm。預(yù)應(yīng)力鋼筋網(wǎng)尺寸為200mm。

二、模型與張拉順序的選擇

1.模型的選擇

預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)有時(shí)采用大跨度方案，在大緯度地區(qū)，位于小預(yù)應(yīng)力次梁方向;在小緯度地區(qū)，位于預(yù)應(yīng)力主梁方向[32]。預(yù)應(yīng)力次梁跨度大，但次梁間距小，受力面積小。雖然預(yù)應(yīng)力梁較小，但荷載較大，本次布置設(shè)計(jì)可以達(dá)到結(jié)構(gòu)高度優(yōu)化的目的本次設(shè)計(jì)采用這樣的布置方案，在預(yù)應(yīng)力二次張拉的情況下，壓縮變形會(huì)導(dǎo)致邊梁斷裂，因此，為了便于計(jì)算和分析，有必要選擇合理的拉伸順序× 模型選用1號展廳跨度框架梁，預(yù)應(yīng)力框架主梁跨度24m，截面尺寸1000mm× 3200mm。預(yù)應(yīng)力框架下梁跨度36m，截面尺寸400mm× 1000mm，預(yù)應(yīng)力次梁位于主梁9跨方向，近梁間距3M，框架柱尺寸1500mm× 150mm，高度15m，樓板厚度200mm。梁、板和柱的混凝土采用C45，框架中的預(yù)應(yīng)力鋼筋位于4-12 f s15.2中，f s15.2中的預(yù)應(yīng)力鋼筋不可拆除。因?yàn)橹饕芯康氖橇旱椎膬?nèi)應(yīng)力響應(yīng)（即梁底的內(nèi)應(yīng)力響應(yīng)）和梁底的內(nèi)應(yīng)力響應(yīng)（即梁底的內(nèi)應(yīng)力響應(yīng)）。為了直觀地觀察邊梁在預(yù)應(yīng)力作用下的內(nèi)力變化，只需施加預(yù)應(yīng)力和75σ con，不考慮其他荷載。如圖2

2.張拉順序的選擇

在本次設(shè)計(jì)中，預(yù)應(yīng)力筋的張拉按預(yù)應(yīng)力次梁的張拉順序進(jìn)行，然后對預(yù)應(yīng)力框架梁進(jìn)行張拉，但由于預(yù)應(yīng)力梁較大，可以按順序成排張拉。在本章中，預(yù)應(yīng)力副梁的受拉順序可分為三種情況：從左向右、兩端向中間對稱拉伸、從中間向兩端拉伸，最后張拉預(yù)應(yīng)力框架梁，下圖為分層順序（圓圈中的數(shù)字代表張拉順序）。根據(jù)上述選定的拉伸順序，利用midas/gen軟件模擬各種拉伸順序，midas/gen軟件提供了不同的加載模式，可以計(jì)算出每種工作模式和不同的工況，最終產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力的組合。這與上述施工階段的最終結(jié)果是一致的，即將不同施工模式的結(jié)果相加，在施工階段不同的張拉順序會(huì)對邊梁的內(nèi)力產(chǎn)生影響。

三、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工研究

1.大面積自密混凝土技術(shù)的應(yīng)用

該設(shè)施連接在標(biāo)高為15米的展廳之間。預(yù)應(yīng)力主梁截面尺寸為1000mm× 3200mm，腋下1500mm× 3200mm，最大跨度27m，鋼筋1284hp，防震桿直徑32mm，預(yù)應(yīng)力波紋管直徑85mm;預(yù)應(yīng)力梁截面為500mm× 3000mm，最大跨度36m，鋼筋50根，四級直徑32mm，預(yù)應(yīng)力波紋管6根，直徑85mm;框架柱截面1500mm× 1500mm，鋼筋為62號三級鋼筋，直徑36mm。圖? 現(xiàn)場布置預(yù)應(yīng)力主梁及主梁節(jié)點(diǎn)?？梢娏簝?nèi)鋼筋較多，且有槽鋼波紋管，由于鋼筋間距過小，普通混凝土陣列難以延續(xù)，特別是在梁縫處，容易形成蜂窩和孔洞，難以保證施工質(zhì)量;另外，振搗器鋪設(shè)時(shí)，混凝土不能直接振搗波紋管，因?yàn)閴K體中的卡箍被波紋管填滿，導(dǎo)致普通混凝土無法施工。如圖3

普通混凝土無法施工，只能配合通信工程將梁底截面增加至500mm，或經(jīng)甲方和設(shè)計(jì)方同意，將梁下回路拉伸改為腋下拉伸即可解決，但開發(fā)商不應(yīng)堅(jiān)持項(xiàng)目的原設(shè)計(jì)，拒絕報(bào)價(jià)，沒有議價(jià)的余地。在這種情況下，僅通過技術(shù)搜索和切割，就發(fā)現(xiàn)密實(shí)混凝土的技術(shù)是比較成熟的，其顯著特點(diǎn)是流動(dòng)性好，穩(wěn)定性好，可灌性好，幾乎無需振搗壓實(shí)，正好解決了波紋管結(jié)構(gòu)密度最大的問題，振搗棒不能直接振搗，同時(shí)也要保證混凝土的質(zhì)量，進(jìn)而促進(jìn)施工的成功。

2.自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

本次設(shè)計(jì)C45梁、柱混凝土強(qiáng)度控制在現(xiàn)場混凝土膨脹前600-700，采用玄武巖沖河石，粒徑小于2.0cm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度比按C45-28的日強(qiáng)度計(jì)算，經(jīng)過多次計(jì)算試驗(yàn)，主要比例確定如下：水165kg/m3;水泥365kg/m3;砂841kg/m3;石料808kg/m3;渣粉60kg/m3;灰分75kg/m3;5千克/立方米[33];由于對密實(shí)混凝土的嚴(yán)格要求，實(shí)測膨脹深度為550-650mm，預(yù)應(yīng)力梁是大體積混凝土的一部分，結(jié)構(gòu)尺寸大，水熱液高濃度滲碳，升溫快，內(nèi)外溫差太大，容易產(chǎn)生溫度裂縫，必須從材料來源上嚴(yán)格控制。 水泥：高細(xì)度P.O42.5水泥，7天水化溫度不超過270kJ/kg，3天水化溫度不超過240kJ/kg;水泥的表面積為300～350m2/kg，選用比表面積較小的水泥。水泥進(jìn)入攪拌站的溫度不得超過60℃°粉煤灰：以水燒渣為主要原料制備的粉碎粉煤灰，達(dá)到或超過S95標(biāo)準(zhǔn)。與表面積不小于4000cm2/g相比，耗水量不超過105%，熱損失不超過5%。粉煤灰：粉煤灰與粉煤灰一起摻入粉煤灰中，粉塵的使用能有效減少單面混凝土中的水泥總量，使混凝土達(dá)到要求。 添加劑：特殊的mrt-1緩凝劑加防水添加劑，有效降低濕度25%以上。砂：西河砂（中砂），細(xì)度模數(shù)2.8，石粉含量3.2%6）石料：玄武巖細(xì)粒石料，粒徑5-20mm，連續(xù)粒徑，含土量控制0.3%。 由于設(shè)施的重要性和現(xiàn)場波紋管鋼筋的強(qiáng)度，在集約作業(yè)前，我們模擬鋼筋和波紋管的實(shí)際配置，進(jìn)行自密封試驗(yàn)，通過鋼筋檢查其運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)定性和混凝土骨料。波紋管的間隙特性。

結(jié)論：

從宏觀的角度，通過對我國裝配市場的研究，我們發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為產(chǎn)品研發(fā)的裝配整理體系是一個(gè)相對分散的國家。事實(shí)上，我們沒有完善的裝飾和研究裝配系統(tǒng)。本文研究了一種基于CSI系統(tǒng)的改進(jìn)裝配維修系統(tǒng)，但CSI系統(tǒng)不是裝配和裝飾，基本上，支撐和填充物是挖掘整個(gè)住宅生命周期價(jià)值的一種手段，實(shí)現(xiàn)住宅可持續(xù)發(fā)展和系統(tǒng)建設(shè)。目前，產(chǎn)品裝配與維護(hù)、研發(fā)、生產(chǎn)都掌握在一家小型建材生產(chǎn)企業(yè)手中，一般由于缺乏單一品種開發(fā)生產(chǎn)的研究、完善和生產(chǎn)體系，一般難以形成產(chǎn)業(yè)管理模式。對外開放，集團(tuán)擁有超大工業(yè)企業(yè)，并開發(fā)生產(chǎn)建材、各類建材、化工建材系列，產(chǎn)品具有創(chuàng)新的生產(chǎn)能力改造和規(guī)劃能力，而我們的小型建材制造商也無法實(shí)現(xiàn)。

在微觀層面上，我們的裝配和整理還沒有深入研究。裝配裝飾部是一種高度集成的建材，整體要求各種性能，工廠是通過最簡單的裝配來進(jìn)行最大的預(yù)處理和現(xiàn)場施工。中國一體化大會(huì)的這些要求在部的組裝和裝飾中沒有得到深刻體現(xiàn)，許多建筑部分或采用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]席作浩.大跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島理工大學(xué).

[2]葛歡.大型綜合物流園預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工——以深圳某大型綜合物流園為例[J].技術(shù)與市場，2011，18（6）：41-43.

[3]李彥林.新興綜合物流園預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[J].中華民居旬刊，2011（8）：173-175.