大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)施工變形特征研究

王丹濤 WANG Dan-tao；田佳岐 TIAN Jia-qi

（①中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，西安 710054；②寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土因其節(jié)省材料、自重輕、剛度大、變形小等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于大跨度鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)[1]。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑與張拉順序的不同，可以將預(yù)應(yīng)力混凝土施工方法大致分為“逐層澆筑，逐層張拉”、“多層澆筑，順向張拉”和“多層澆筑，逆向張拉”[2]。對于同一結(jié)構(gòu)，施工方案的不同會引起不同的施工荷載，不僅造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的差異，還可能影響施工安全性。圍繞不同施工方案對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)造成的施工荷載差異，國內(nèi)學(xué)者做了大量研究工作。潘珉[3]以實際工程為案例，通過對比連廊與主樓施工順序所引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)差異，提出采取“先施工主樓，后施工連廊”的施工順序，從而實現(xiàn)了縮短施工工期，降低成本的目的。王立波，張羽[4]通過數(shù)值模擬方法，對比分析了不同張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)邊梁的效應(yīng)，提出了預(yù)應(yīng)力混凝土最優(yōu)張拉方案。楊瑋，潘寒等[5]通過對比分析4種不同施工方案條件下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形特點(diǎn)及預(yù)應(yīng)力損失等參數(shù)，提出采用“數(shù)層灌漿，逐層張拉”方案效果更優(yōu)。

合理的施工方案不僅是確保施工安全的前提和保障，還是實現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)?！钡闹匾A(chǔ)。然而，由于不同工程之間存在顯著的差異性，基于某一特定工程取得的已有研究成果難以做到普遍適用和推而廣之。對于某些造型獨(dú)特、構(gòu)造復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，十分有必要基于工程特點(diǎn)開展針對性研究。本文以某大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)為原型，根據(jù)工程特點(diǎn)開展基于施工力學(xué)原理的數(shù)值模擬計算，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對比分析了整體澆筑“順向張拉”與“逆向張拉”的所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形差異，以期為施工方案制定和優(yōu)化，以及施工變形監(jiān)測提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 數(shù)值模型建立

采用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000，建立某大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)有限元模型，采用“階段施工方法”模擬預(yù)應(yīng)力張拉過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形特征。結(jié)構(gòu)為5層框架結(jié)構(gòu)，其中，除首層與第二層層高分別為5.6m和5.1m，其余各層層高均為4.2m。

混凝土強(qiáng)度等級為C40，箍筋和縱筋強(qiáng)度等級均為HRB400。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)低松弛緩粘結(jié)鋼絞線，設(shè)計張拉控制應(yīng)力為1395MPa；預(yù)應(yīng)力筋線形采用拋物線布設(shè)形式。預(yù)應(yīng)力筋從框梁外側(cè)進(jìn)行張拉。建模過程中，在定義預(yù)應(yīng)力荷載時，不考慮預(yù)應(yīng)力損失，結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 模型三維效果圖

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是采用建筑結(jié)構(gòu)固有特征來描述結(jié)構(gòu)特征和狀態(tài)的方法，可作為評價結(jié)構(gòu)布置均勻合理與否的重要指標(biāo)，對于掌握建筑結(jié)構(gòu)動力特性及施工方案優(yōu)化具有重要參考價值。對此，分析計算了如圖2所示的前6階模態(tài)。由圖可見，結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)基本呈現(xiàn)出兩個正交方向的平動姿態(tài)，第一階模態(tài)出現(xiàn)局部扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說明結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量分布存在一定的不均勻性，這正是該結(jié)構(gòu)不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)布置所引起，在制定施工方案時應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)不規(guī)則所造成的施工變形特殊性。

圖2 結(jié)構(gòu)模態(tài)

結(jié)構(gòu)各階模態(tài)所對應(yīng)的自振頻率如表1所示。由表1可見結(jié)構(gòu)整體性較好且剛度較大，這一特點(diǎn)將有利于抵御預(yù)應(yīng)力張拉施工過程中所引起的結(jié)構(gòu)變形。

表1 結(jié)構(gòu)各階自振頻率

3 施工過程模擬分析

大型建筑結(jié)構(gòu)由于其施工工藝繁多，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，施工過程中大都存在相對較高的安全風(fēng)險。除了制定科學(xué)合理的施工方案外，準(zhǔn)確可靠的施工變形監(jiān)測技術(shù)將最大限度化解施工風(fēng)險。然而，對于某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特定工程，以往的工程經(jīng)驗難以完全適用，就需要特殊問題特殊應(yīng)對。在制定施工方案前，采用數(shù)值模擬方法對施工過程進(jìn)行模擬分析，將有助于施工方案制定與優(yōu)化。通過對本工程進(jìn)行基于施工力學(xué)的預(yù)應(yīng)力張拉過程模擬，得到圖3、圖4所示的“逆向張拉”與“順向張拉”過程結(jié)構(gòu)整體變形情況。

圖3 逆向張拉過程結(jié)構(gòu)整體變形圖

由圖可見，兩種施工方案結(jié)束后，結(jié)構(gòu)最終變形趨勢基本一致，結(jié)構(gòu)最大變形量均出現(xiàn)在二層大開間部位，在制定施工方案時應(yīng)當(dāng)對該部位予以重點(diǎn)監(jiān)測。兩種方案所引起的結(jié)構(gòu)變形量值存在一定差異，其中，“逆向張拉”方案所引起的60mm最大變形量，“順向張拉”方案所引起的結(jié)構(gòu)最大變形量為72mm，增幅20%。由此可見，本工程采用“逆向張拉”方案更加有利于控制結(jié)構(gòu)變形。

從圖3和圖4可以看出，采用自上而下的“逆向張拉”方案時，第五層到第三層出現(xiàn)了相同的變形趨勢，但變形量均未超過20mm。與之相比，采用自下而上的“順向張拉”方案時，結(jié)構(gòu)最大變形位于第二層，在施工過程中出現(xiàn)得相對較早，幾乎伴隨整個施工過程；由于該部位是結(jié)構(gòu)變形量最大且需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，這就導(dǎo)致施工過程中需要進(jìn)行專門監(jiān)測，從而造成成本增長。

圖4 順向張拉過程結(jié)構(gòu)整體變形圖

4 結(jié)束語

為了研究某大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)施工變形特征，采用數(shù)值仿真方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和施工過程變形模擬。通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，檢驗了結(jié)構(gòu)的整體性與剛度的均勻性。施工過程模擬揭示了“順向張拉”與“逆向張拉”過程中結(jié)構(gòu)不同的施工變形模式，同時確定了結(jié)構(gòu)最大變形區(qū)域及最大變形量，為施工方案的制定與優(yōu)化，以及施工變形監(jiān)測提供了參考依據(jù)。