大型體育館預應力變截面梁綜合施工技術

王祺國

上海建工二建集團有限公司 上海 200080

預應力變截面梁在大跨度建筑工程項目中的應用已十分普遍，在應用層面上，從模板選型、排架結構系統的設置到施工技術、結構加固等方面都有了較為成熟的技術手段[1-4]。本文根據項目的建筑方案及現場情況，合理利用梁模板、結構系統，同時，面對施工的重難點，提出并實施后張法施工，再運用防治結合的措施預防和處理可能出現的裂縫并加固結構體系，從而保障建筑結構的安全。

1 工程概述

背景工程為復旦大學新建江灣校區綜合體育館項目，位于楊浦區新江灣城西北部，東鄰淞滬路、西鄰國權北路、南鄰殷行路、北鄰國帆路。項目地上3層、地下1層，總建筑面積28 800 m2，包括游泳館、大廳、籃排球、羽毛球訓練館、多功能廳等空間（圖1）。

1.1 建筑概況

圖1 項目效果圖

本工程為丙級及以下體育建筑，主要功能為校園游泳館（含1個教學泳池、1個比賽泳池）與校園風雨操場，地下設有停車庫。

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、羽毛球訓練館、多功能廳，建筑層高分別為5.4、14.2 m。

1.2 結構概況

本工程主體建筑結構形式為混凝土框架結構（配少量剪力墻），地基基礎采用平板式樁筏基礎，樁基類型為預應力高強混凝土空心方樁。

2個泳池頂均為大跨度變截面預應力梁，預應力框架梁采用后張有黏結預應力混凝土結構，預應力筋采用φ15.2 mm高強度低松弛鋼絞線，墊板采用焊接補筋，并與箍筋焊牢。預應力梁混凝土強度等級為C40，位于游泳池上方，雙泳池空間共計28根跨度42 m的預應力混凝土梁。

本工程屋面結構為2個雙層場館組合的大空間結構，屋蓋采用大跨度倒三角空間鋼管桁架。場館主桁架跨度為42 m，間距8.4 m，兩側懸挑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、難點概述

1）本工程主要難點為大跨度預應力梁模板及排架的選型以及預應力梁施工過程中的質量控制。同時，結構裂縫的預防和控制也是一大難點。

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

3）變截面梁的典型特點是，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，給模板搭設帶來很大的難度。

4）變截面梁內含較多的鋼筋，而且會隨著截面發生不同的變化，對鋼筋的安裝和有效固定造成障礙，也就是說梁內箍筋的規格隨著截面尺寸的變化而改變，混亂的箍筋現象很普遍，對鋼筋保護層的控制造成難度。

5）變截面梁是大跨度有黏結預應力梁，內部的鋼筋縱橫交錯，且預埋件遍布，給混凝土澆筑時的振搗工作帶來阻礙，增加了施工的難度。

2 大跨度變截面預應力梁模板選型

本工程主要采用預應力梁，由于預應力結構本身的特殊性，導致模板的選擇會對整個工程的進度及成本帶來較大的影響。在大跨度預應力梁的模板選擇上，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。優點：質量輕、加工輕便、活動性好、造價低廉、工人操作習慣等。缺點：不成體系，模架分開，安全風險高；周轉次數少；產生大量垃圾，對環境污染大；成形效果一般。

2）大鋼模板。優點：使用靈活、通用性強、制作精確、質量較高、拆裝靈活、搬運方便、耐久性好，適用于組合拼裝，工程結構整體性好。缺點：質量較大，搬運不方便且費用高；變形維護成本高；基本只能使用于一個特定項目，成本高。

3）塑料模板。優點：性能卓越，品質優良；施工便捷，周轉率高；設計標準，實用性強。缺點：非標件投入成本高，主要體現在開模具成本高昂而利用率比較低；標準化模板配模率只有90%，形成不了完整的體系（特別是非標部分），無法實現工程結構的全覆蓋。

綜上所述，考慮到本工程體量不算特大及存在大跨度預應力梁這些特點，可知大鋼模板和塑料模板的成本會相對較高、不夠經濟，而單純用木膠合模板則有可能會面臨施工可靠性不足的問題。經過研究分析，最終本項目采取了一定的技術措施，即：在支模過程中，在木膠合模板側面增加大量背楞以保證結構施工的可靠性。

3 大跨度變截面預應力梁排架系統

本工程上部3 層結構區域大梁截面尺寸為700 mm×2 000 mm、700 mm×2 500 mm，梁頂標高10.75 m，梁底排架搭設高度13.75 m。上部結構超高超重梁的排架地基結構形式為厚400 mm地下室底板，混凝土強度等級為C35。

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

若采用盤扣式排架系統，則受力形式直接、簡單，承載力高，便于質量把控與驗收，尤其適用于超高超重模板系統。因此本項目采承插型盤扣式排架系統。

根據計算，大梁底部的排架鋼管縱向間距為600 mm，梁底立桿數量為2根并需采用頂托。考慮到施工可行性，700 mm×2 500 mm梁底2根立桿間距設為300 mm，既可保證結構安全，又能保證施工的方便（圖2）。

在高支模混凝土澆筑的過程中，現場對排架體系進行了持續性的沉降觀測，監測頻率為：在模板支撐體系完成后監測一次；澆筑混凝土過程中實施監測，每次監測間隔不超過30 min；在混凝土澆筑完成后監測一次。沉降觀測結果為：梁（板）底立桿沉降未超過10 mm，梁水平位移未超過5 mm，滿足安全要求。

4 大跨度變截面預應力梁施工技術

本項目預應力梁采用有黏結預應力結構（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、普通鋼筋鋪設、支架鋼筋鋪設、預應力筋鋪放、張拉端錨具埋設、隱蔽工程驗收、混凝土澆搗以及混凝土達到強度后的張拉、灌漿等一系列的流程操作。以下主要對施工過程中容易遇到的難、特點進行說明。

1）錨墊板端部澆筑混凝土產生空洞導致預應力張拉時錨具內陷。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，則采用高強灌漿料代替混凝土，步驟同前）；養護至100%的設計強度；重新張拉至控制應力。

圖2 排架搭設示意

圖3 預應力梁示意

2）由于擠壓錨失效使張拉預應力鋼絞線時固定端失去作用。處理方法：將已經張拉的部分預應力鋼絞線退錨；在固定端鑿除混凝土，露出固定端；將固定端已經失效的預應力鋼絞線抽出重新進行擠壓；澆筑固定端混凝土并養護至 100%的設計強度；重新張拉至控制應力。

3）發生預應力管道堵塞的情況。預防和處理方法：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，混凝土中的砂漿進入管道造成的。梁體澆筑完混凝土后，應及時安排工人在梁的兩端抽動鋼絞線，這樣，在堵塞不嚴重的情況下，由于混凝土尚未結硬，通過抽動鋼絞線可將砂漿清理出孔道。如果孔道堵塞不嚴重，灌漿時漿體尚能完全通過整根孔道，但孔道的有效面積會縮小，此時采用低水灰比的水泥漿，壓漿時會因水泥漿太稠而無法通過堵塞處。對此，可在規范允許范圍內采用最高的水灰比和壓漿壓力。如果孔道堵塞嚴重，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，再將鋼絞線穿入進行張拉灌漿。由于砂漿具有質脆易碎的特點，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，可用適當直徑的鐵球對堵塞處的砂漿采取逐步破碎，逐步清除直至通暢的處理方法。處理時，先把直徑較小但能勉強通過孔道的鐵球，在卷揚機的帶動下，通過卷揚機的拉力把孔道擴大后，使小球能順暢通過，然后用空壓機或水把破碎后的砂漿清出管道。

5 裂縫控制與結構加固技術

本項目由于設計自身原因，預應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域極易出現裂縫。考慮到可能出現的裂縫，現場采用防治結合的措施進行處理[5-6]。預防是在施工前采取相應措施避免裂縫的出現，治理則是在出現裂縫后對裂縫加以處理以保證結構的安全。

防止裂縫的措施：嚴格控制原材料質量，主要是控制混凝土的配合比；做好施工質量控制，主要是對混凝土的養護要滿足規范要求，保證混凝土能夠達到設計強度，在達到相應強度后方可進行模板拆除的工作；增加施工措施，在梁與樓板連接處增設鋼絲網片以保證連接處的強度，避免裂縫的產生。

治理裂縫的措施：先對裂縫的特點進行分析，確認是否為無害裂縫，如果裂縫對結構強度產生了影響，則需要進行加固處理。

考慮到本工程項目的特點，對有害裂縫采用碳纖維材料進行加固處理[7-8]。具體加固方法如下：

1）對于板底的不規則裂縫，采取碳纖維片材補強加固。加固前必須先處理掉混凝土表面的浮灰與油脂，再進行碳纖維片材粘貼加固。

2）項目的碳纖維片材必須采用300 g高強度Ⅰ級碳纖維布，厚度0.167 mm。碳纖維規格為寬200 mm，凈距100 mm，碳纖維片材沿板底以井字格的方式，雙層雙向進行粘貼。

3）待碳纖維布加固施工完成后，進行表面噴砂防護并用膩子找平，表面刷黑色環氧樹脂2道進行防護處理。

6 結語

本文以復旦大學新建江灣校區綜合體育館項目為例，對大跨度變截面預應力梁模板選型、排架系統設計、預應力梁施工以及裂縫控制與結構加固等內容進行了介紹。在主體施工難度大、施工技術手段要求高、安全性要求高的條件下，實際施工效果較為理想，可行性強。其施工體系穩定可靠、合理性高，對于項目重、難點的分析研判到位，處理方案可行。

本項目為今后同類型建筑的設計與施工提供了一些可以借鑒的內容。未來可從進一步優化施工工序及工藝、精細化計算控制材料成本、新材料應用等方向開展更深入的研究，形成更具推廣價值的應用技術。