多層大面積預應力快速張拉技術研究與應用

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

隨著科技的進步，社會的發展，大型公共建筑工程越來越趨于空間大、構件尺寸小、型式復雜、承載能力大的特點，使得預應力技術在大型公共建筑工程中運用廣泛。在北京大興國際機場停車樓工程中，其預應力管道相對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，預應力張拉與下部支撐架體拆除的矛盾也是一個擋在快速前進路上的絆腳石。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、周轉料具投入量大、建設要求高，工期緊張，預應力復雜節點問題和架體周轉工期緊張問題較為突出。

1 工程概況

北京大興國際機場定位為大型國際航空樞紐，是展現中國國家形象的新國門，受到社會各界廣泛關注，社會影響大。承建該工程意義大，責任大。習近平總書記在視察北京大興國際機場時指出，大興國際機場建設標準高、建設工期緊、施工難度大，全體建設者辛勤勞動、共同努力，高質量地完成了任務，把大興國際機場打造成為精品工程、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。

北京新機場停車樓及綜合服務樓工程位于北京大興國際機場航站樓北側，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停車樓、中間的綜合服務樓 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 層結構，平面占地面積大、型式復雜、荷載大，在梁板中均采用了預應力技術來控制結構撓度與裂縫并提供部分承載力，以此提高結構正常使用狀態性能。工程效果如圖 1 所示。

圖1 工程效果圖

北京新機場停車樓及綜合服務樓工程為鋼筋混凝土框架結構，內部含有勁型鋼結構、屈曲支撐等，外部連橋為鋼結構，綜合服務樓屋頂為鋼結構托金屬板造型，基礎采用樁筏基礎。

本工程預應力區域所占面積大，約 50.3 萬 m2，鋼絞線總量約 5 000 t，跨度大，采用了有粘結預應力技術、無粘結預應力技術。有粘結預應力技術：用于本工程軌道交通地下部分的結構轉換層，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構荷載產生的效應，提高結構及構件性能。無粘結預應力技術：用于本工程 -2.0 m 結構梁板及停車樓地上結構，鋼絞線用量約 4 280 t，以實現停車樓的大跨度功能。

2 工程難點及特點

2.1 工程意義重大

工程體量巨大，混凝土總用量達 110 萬m3，鋼筋16 萬 t，土方開挖量 210 萬 m3，工程樁和支護樁 9 000 余根。工程結構復雜，大跨度及高大空間多；裝飾裝修和機電工程工程層多、面廣、系統復雜。工期要求 2016 年 4 月27 日開工，2017 年 4 月 30 日完成地下結構，2017 年 12 月31 日完成封圍封頂，還需經歷冬季、雨季和春節，對工期影響較大。從土方、樁基施工到工程竣工，工序多、穿插施工多、周轉料具投入量大、建設要求高，工期緊張。

2.2 軌道頂板轉換結構層預應力布設面積大且布設節點復雜

工程地下 2 層為軌道交通站臺層，高鐵、地鐵、快軌等線路穿越工程下部，軌道交通地下 2 層結構頂板為轉換結構。轉換層結構包括框支梁、梁上起柱、勁型結構等；同時還包括大面積預應力鋼筋分布，設計非常復雜。

工程預應力分為有粘結和無粘結預應力兩種，分布面積 37.1 萬 m2，預應力筋 2 752 t，大預應力分布于地下 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，普通鋼筋和預應力鋼筋相互穿插，工期緊，易出現不合格情況影響結構安全，產生結構裂縫，施工中加強預應力施工質量控制和細部節點深化是保證結構安全的施工重難點。

2.3 軌道交通頂部高大模板投入量大且危險性大

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模危險性較大的工程，且一次投入量大。高大模板及其支架施工的危險性較大，其支撐體系強度、剛度、穩定性是保證結構施工質量、安全的關鍵，拆除時間越晚存在的風險越大。

3 項目預應力施工存在的問題

3.1 有粘結預應力管道在梁柱節點無法通過

軌道交通及停車樓結構均為大跨度結構，為更有效地保證空間和大跨度功能，構件存在尺寸小、鋼筋密的特點，在梁柱節點處鋼筋極其密集，存在有粘結預應力管道無法通過的情況。以最簡單的框架節點如KZLB-G10（XL06-XL02）框架梁為例進行說明。該框梁截面 1 4 0 0 m m×2 0 0 0 m m，預應力配筋6×11φ15.2 mm有粘結鋼絞線。項目大部分有粘預應力梁與此梁配筋類似，現以該梁及節點為例進行施工分析。

此預應力梁所對應柱截面編號為方柱 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 梁柱節點三維圖

圖5 波紋管通過柱三維圖

3.2 梁柱節點波紋管容易損壞

梁柱節點處鋼筋密集，作為預應力管道的波紋管勉強通過后極其擁擠，保護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，通常存在積水、管道堵塞、漏漿現象。鋼絞線在內部容易受到銹蝕，會產生斷面虧損、應力下降情況，耐久性受到影響，同時并不能實現有粘效果。

3.3 傳統支撐架體制約預應力張拉

北京新機場停車樓及綜合服務樓工程地下 1 層板及地上停車樓部分均涉及預應力筋分布，預應力分布面積廣，跨度大，共計約 37.1 萬 m2。若上述預應力分布區域采用傳統碗扣架體，立桿間距過小，空間有限，不滿足預應力張拉作業條件；同時預應力張拉前下部支撐體系不得拆除，否則將嚴重影響結構安全，按此邏輯推理，只有在完成頂層預應力張拉后方可對下部各樓層的架體依次進行拆除，如此將造成大量架體材料無法周轉使用，架體一次性投入量極其巨大，且架體拆除時間滯后，無法及時插入下道工序施工。同時增加了架體租賃費用，提高了項目成本。

3.4 梁托柱結構預應力張拉工藝復雜

因建筑造型、地下軌道交通和工藝流程需要，部分結構柱落在結構梁上，形成梁托柱結構。該部位托柱梁采用有粘結后張拉預應力工藝，該工藝施工工藝復雜，在進行張拉時需要現場灌漿，耗時，提升了較大的時間成本，影響工期。

3.5 地下 2 層軌道交通區域移交節點時間緊張

地下 2 層軌道交通區域面積大，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，拆除和整理外運的時間長。同時，若地下 1 層和停車樓地上部分采用傳統架體，難以按期完成施工任務。

4 方案選擇

4.1 預應力張拉深化

在進行預應力張拉與架體整合設計時考慮施工簡便，依據“施工圖設計總說明”，預應力梁采用后張有粘結預應力技術，同時考慮到緩粘結預應力技術相關優點，將停車樓和綜合服務樓結構轉換梁及大跨度梁等部位由粘結后張拉預應力技術深化設計為緩粘結預應力技術。該技術施工簡便，大大縮短了張拉周期，提高張拉質量，使得架體得到提前拆除。

緩粘結預應力技術［1］是繼無粘結預應力、有粘結預應力技術之后發展起來的一項新的預應力技術。緩粘結預應力結合了無粘結的施工特點，有粘結的力學特點，集兩者的優點，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，在力學上最終達到有粘效果。現根據有粘接和緩粘接兩種預應力技術施工工藝特點及具體施工條件進行對比分析。

4.1.1 有粘結預應力與緩粘結預應力施工工藝比較

1）有粘結預應力主要工序為：穿波紋管→波紋管中穿鋼絞線→張拉→灌漿→封錨。

2）緩粘結預應力主要工序為：穿鋼絞線→張拉→封錨。

4.1.2 緩粘結預應力比有粘結預應力的優勢

1）緩粘結預應力具有無粘結的工藝，有粘結的效果，施工方便快捷。

2）單根單孔布置，直徑?。?5.2 mm 緩粘結鋼絞線直徑只有 23 mm，21.8 mm 規格緩粘結預應力鋼絞線直徑只有 30 mm），布置靈活。

3）從根本上規避了有粘預應力普遍存在的空洞、積水等灌漿不密實情況，避免了有粘結預應力所存在的各種施工質量問題，保障了施工和有粘結的效果。

4）緩粘結預應力無需穿波紋管、無需加腋，施工非常簡便且施工質量易保障。張拉端可以隨意出，不用考慮洞口、高差和柱筋。

4.2 支撐架體深化設計

項目部大膽創新，在經過對支撐體系的深化設計和市場考察后果斷突破傳統碗扣架體限制，在滿足預應力張拉要求的同時結合工程大截面梁板構造尺寸的特點，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，為在架體內部進行預應力張拉作業提供了充足的空間。同時鍵槽架體受力穩定，承載力強，抗傾覆能力強，架體搭拆速度快，減少了人工，加快了施工進度。

5 施工重點技術剖析

多層大跨度預應力快速張拉技術，在于采用緩粘結預應力筋與承插型鍵槽式腳手架相結合，可在下部架體拆除后進行張拉，有充足的空間在架體內部進行預應力張拉作業，充分考慮預應力張拉點位置，使立桿與張拉點避讓，保證了預應力張拉在架體內順利進行。每層結構達到張拉要求即可進行張拉作業。每層結構張拉完成后，由下層結構至上層結構拆除架體，與結構流水施工，施工簡便，大大縮短了張拉周期，提高張拉質量，使得架體提前拆除。

5.1 緩粘結預應力技術

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）梁柱節點處灌漿不密實，通常存在積水、管道堵塞、漏漿現象，鋼絞線在內部容易受到銹蝕，會產生斷面虧損、應力下降情況，耐久性受到影響，并不能實現有粘結效果。

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

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

通過討論分析，對該種部位采用緩粘結預應力技術。緩粘結預應力主要工序為：穿鋼絞線→張拉→封錨。

5.1.2 緩粘結技術的應用

1）考慮支座受力影響，柱邊做 2 個小加腋（1 500 mm ×300 mm×2 000 mm 三角）分 2 束在柱外通過，其余 4 束柱內通過，預應力重新孔道排布。如圖 6 所示。

圖6 中間 2 束改緩粘結預應力圖

2）束有粘結管道兩端對調，各出 2 個張拉端（9 孔錨具），單個加腋可減小到 2 000 mm×450 mm×450 mm（0.18 m3、0.45 t），減輕結構自重（單個柱子負重最大1.8 t），遇到洞口或降板無法做加腋的非托柱梁跨可適當更改。

5.1.3 實施效果

本工程采用緩粘結施工技術，通過增設了緩粘結預應力鋼筋，解決復雜梁柱節點預應力鋼筋貫穿問題。

5.2 預應力張拉與架體整合設計

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傳統碗扣架體，將立桿間距由 600～900 mm 擴大至 1 200 mm，立桿平面布置考慮預應力張拉點位置，使立桿與張拉點避讓，為在架體內部進行預應力張拉作業提供了充足的空間，保證了預應力張拉在架體內順利進行，如圖 7 所示。編制鍵槽架體施工方案時，繪制詳細的立桿平面布置圖，充分考慮預應力張拉點位置，使立桿與張拉點避讓，保證了預應力張拉在架體內順利進行，如圖 8 所示。

圖7 現場搭設樣板

圖8 架體與張拉節點位置示意圖（單位：mm）

5.2.2 預應力張拉

將停車樓和綜合服務樓結構轉換梁及大跨度梁等部位由粘結后張拉預應力技術深化設計為緩粘結預應力技術。張拉順序由上至下（見圖 9）改為由下至上（見圖 10），該技術施工簡便，大大縮短了張拉周期，提高張拉質量，使得架體得到提前拆除。

圖9 原方案張拉工序圖

圖10 優化預應力張拉工序圖

5.2.3 實施效果

采用鍵槽支撐體系，突破了傳統碗扣架體由于空間小而不能及時進行預應力張拉的瓶頸；同時因托柱梁區域改變了預應力施工工藝，大大提高了張拉效率，縮短了預應力張拉時間，使得停車樓架體如期拆除，最終項目部提前 45 d 完成架體拆除及清理工作，地下軌道交通區域如期移交，得到了業主的表揚與肯定。

鍵槽架體的如期拆除，在保證移交工期的同時，使得拆除的架體能夠及時地進行周轉使用，大大提高了料具的周轉效率，避免了因料具周轉率低而造成料具租賃費用增加，最終節約了項目成本，直接節省架體租賃費用 2 356 萬元。

6 結語

通過該技術的應用，不僅解決了預應力管道貫穿鋼筋節點的問題，同時解決了預應力張拉與架體拆除的矛盾，節約工期 45 d，經濟效益達 2 356 萬元。值得在類似工程中推廣使用。

北京新機場停車樓及綜合服務樓工程，是國家重點工程，備受社會各界關注，其重要性不言而喻。通過對新技術的研究可以推動生產力，提高了其工程質量，降低成本，縮短工期，增加了經濟效益。此外新技術的研發還可以提高企業管理水平和技術水平，為企業積累技術資產，提高企業知名度。