大面積復雜預應力混凝土梁施工技術

丁傳奇，趙 晨，王 凱

（北京建工集團有限責任公司，北京 100055）

0 引言

預應力混凝土結構以能夠有效抵抗大跨度和重荷載作用下產生的裂縫，提高結構整體安全而在高層建筑的大跨度和承受重荷載區域應用越來越普遍，其施工的質量直接關系到高層建筑主體結構安全［1］。通過分析預應力混凝土梁施工工藝過程，研究并應用提升混凝土的施工質量的技術措施，保證預應力混凝土梁結構的實體結構質量，對提升主體結構的整體安全性具有重要意義。

1 工程概況

中國人民大學教學科研樓等 4 項東南區綜合樓（教學科研樓）、集體宿舍樓（留學生宿舍樓）項目位于中國人民大學校園內，建筑平面為 L 型布局，總建筑面積 102 590 m2（地下建筑面積 24 413 m2），建筑物最高點 80.7 m，地下 3 層相互貫通，其中教學科研樓地上 18 層（局部 13 層），集體宿舍樓地上 19 層（局部 15 層）。教學科研樓主體結構為框架—核心筒結構，集體宿舍樓主體結構為框架—剪力墻結構，其中主體結構中存在大量的預應力混凝土結構和勁性鋼結構，其中最具有代表性的是位于教學科研樓 -1 層的大面積復雜預應力混凝土梁。

2 預應力梁設計情況及施工技術重難點

2.1 預應力梁設計情況

教學科研樓的 -1 層中，為承載地面上的大面積下凹式綠地面和市政道路，設計成大面積復雜預應力混凝土梁區，如圖 1 所示（畫框區域）。梁區面積合計約 1 002 m2，混凝土強度等級 C40，包括 16 根凈跨度為 16.8 m 長的預應力混凝土梁，混凝土梁規格尺寸為 700 mm×1 300 mm。預應力筋采用有粘結預應力筋，穿 2 孔，每孔 7 根直徑 15.2 mm 的預應力鋼絞線，預應力筋孔道采用壁厚 0.3 mm 的內徑 70 mm 的鍍鋅波紋管。

圖1 預應力梁 BIM 效果圖

2.2 施工技術重難點

預應力梁所在位置，決定施工過程中具有明顯的技術難點，主要包括以下各方面。

1）預應力混凝土梁主要承載地面上的下凹式綠地種植土和部分市政道路。其中下凹式綠地為 2.02 m 高的覆土（局部 1.5 m），為重荷載集中區域；市政道路位置下預應力梁頂至地面完成面高度 1 000 mm（450 mm 厚回填土和 550 mm 厚道路做法），承載車輛荷載對預應力混凝土梁結構的安全性提出更高的要求。

2）最高質量目標為“國家優質工程獎”。大面積的預應力混凝土梁，必須嚴格控制此區域內混凝土梁的整體外觀質量要求。保證混凝土梁柱節點清晰、內堅外美，為創國家優質工程獎創造質量亮點。

3）700 mm×1 300 mm 規格的預應力混凝土梁高寬比1.8，高寬比很大且整體較深，上部受力主筋為 1 排 7 根32 規格的三級鋼；下部為 3 排 25 根 32 規格的三級鋼，自底部而上依次 10 根、10 根和 5 根排布，且有兩排預應力孔道穿入梁體內。鋼筋下部整體排布密集，振搗棒伸至底部困難且非自密實混凝土流動性較差，底部混凝土振搗不易密實。同時振搗棒強制伸至梁底部時，易損壞鍍鋅波紋管孔道而造成混凝土流入波紋管內影響預應力張拉的施工質量。

4）大面積預應力梁區域為超限梁集中區域，超限模板支撐體系的面積大且安全性要求極高，大體量預應力梁混凝土澆筑時間長，必須嚴格控制模板安裝質量和混凝土澆筑過程，確保此區域混凝土整體施工質量。

3 施工技術應用

3.1 施工工藝流程

預應力混凝土梁施工的主要工藝流程，如圖 2 所示。

圖2 施工工藝流程

3.2 預應力梁鋼筋 BIM 三維深化和預制加工一體化技術

在 revit 軟件中以 CAD 原設計圖紙為底圖并依據現行圖集，實現鋼筋空間三維排布模型的構建［2］，重點控制預應力梁柱節點，鋼筋伸入支座的節點位置，鋼筋錨固和搭接方式和波紋管位置鋼筋空間排布以及振搗引導器的大小與鋼筋的相對合理位置。其中預應力梁鋼筋 BIM 三維整體深化排布情況，如圖 3 所示。

圖3 預應力梁區域鋼筋 BIM 三維深化

基于 BIM 技術的鋼筋三維深化和優化排布，能夠三維可視化清晰展示鋼筋的三維空間排布位置關系，并導出鋼筋的明細清單，由 BIM 技術人員輔助指導作業人員進行工廠精細化加工，實現預應力混凝土梁鋼筋三維深化設計和工廠加工一體化的精益建造管理模式［3］。

3.3 超限梁模板定位安裝技術

借助預應力梁的 BIM 三維結構模型，核查并校驗設計圖紙坐標與高程系統，精準獲取預應力梁、框架柱、梁中心線及梁的兩側邊的關鍵點位的立體坐標［4］，輔助指導現場施工測量放線，實現預應力梁的底模板精確定位。

3.4 大面積混凝土澆筑引入一種新型振搗引導器施工技術

通過分析大面積預應力混凝土梁的施工技術特點，創新性提出了在預應力混凝土梁內引入一種垂直的振搗引導器，并嚴格控制澆筑技術要點，有效地解決大面積復雜預應力混凝土深梁構件中振搗棒難以深至底部，導致混凝土梁底部澆筑質量難以保證的技術難題［5］。

3.4.1 振搗引導器深化和預制加工一體化

應用一種振搗引導器輔助振搗棒完成預應力梁混凝土澆筑是一項自主創新技術。通過應用 BIM 的三維可視化技術，針對 700 mm×1 300 mm 規格預應力混凝土梁，模擬引導器與振搗棒之間的規格大小匹配關系，將振搗引導器深化設計成每根引導器由 6 根豎向鋼絲和直徑100 mm 的鋼圈構成，豎向鋼絲通過點焊與外圍鋼圈牢固連接，外圍鋼圈直徑 80 mm，鋼圈間距 150 mm，振搗引導器長度深化設計成 1 250 mm，深化效果如圖 4 所示。

圖4 振搗引導器 BIM 三維深化及現場成品（單位：mm）

基于 BIM 三維深化模型，導出振搗引導器材料加工明細清單，如表 1 所示，并由 BIM 管理人員進行詳細加工技術交底，輔助指導加工作業人員進行工廠預制加工。

表1 振搗引導器加工清單明細

3.4.2 鋼筋安裝與振搗引導器穿插施工技術

通過預先與設計溝通并經設計受力核算，將預應力梁位于中間位置的上部一排 3 根及下部三排 3 根的受力主筋鋼筋凈距調整為 100 mm，能夠有效順利地實現直徑 80 mm 振搗引導器順利放置預應力梁體內，而避免鋼筋穿插造成振搗引導器產生破壞，振搗引導器起步在距離框架柱邊 200 mm，中間按照每隔 1 m 的“之”字形布置，如圖 5 梁上部振搗引導器布置示意圖（黑色區域為鋼筋，陰影區為孔道波紋管，圓圈為振搗引導器）。

圖5 振搗引導器“之”字形布置

振搗引導器在預應力梁體內安裝順序，實行兩階段固定。其中第一階段：預應力受力主筋固定完成后，先臨時固定在受力主筋上；第二階段：箍筋和受扭鋼筋安裝過程中，再與箍筋完全固定。主要施工要點如下。

1）在預應力梁所有的受力主筋，依據 BIM 三維深化圖安裝完成后，將振搗引導器使用扎絲臨時固定在受力主筋上。

2）受力主筋位置的箍筋安裝時，首先按照 BIM 三維鋼筋深化模型排布，綁扎固定振搗引導器，再將側面抗扭鋼筋安裝，實現振搗引導器與鋼筋穿插作業。

3）預先按照預應力筋深化排布圖，布置孔道波紋管，特別是在波紋管穿框架柱與梁鋼筋密集區，依據 BIM 深化圖中波紋管預留位置和空間要求，使波紋管在預應力梁保持順直，如圖 6 所示。

圖6 梁底部三排縱向主筋和波紋管安裝效果

4）波紋管安裝時，應嚴格要求并檢查其位置準確。高度方向與定位架立筋綁扎牢固，保證其線性流暢，無彎折損壞現象。對于損壞的部位進行切除并纏緊修復或者更換波紋管。

5）穿鋼絞線時由錨固端向張拉端依次穿入并在穿入波紋管的過程中不斷調順，防止預應力筋發生扭絞。

6）現場安裝過程中，當箍筋與振搗引導器的位置相互沖突時，優先考慮保證箍筋的位置準確，微調整振搗引導器，同時對振搗引導器出現不垂直、損壞的現象，調引導器至上下順直或者重新更換。

7）預應力梁兩側模板安裝之前，必須按照深化設計圖紙檢查驗收預應力孔道曲線矢高，普通鋼筋及振搗引導器位置，全部滿足要求后方可安裝兩側模板。

8）波紋管預留排水排氣孔，孔口導出管與波紋管連貫位置纏繞密實，最終導出管高于預應力梁頂面 300 mm，灌漿孔和排氣孔位置根據 BIM 三維深化圖安裝并做好臨時保護（見圖 7）。

圖7 預應力梁鋼筋整體安裝效果

9） 對于承壓板、錨板周圍的混凝土應加強振搗，嚴禁漏振，避免出現蜂窩或孔洞。在澆筑混凝土時，專人跟蹤，做好成品監督和保護。

3.4.3 大面積混凝土澆筑施工技術

預應力混凝土梁所在區域為超限梁區域，必須依據審批完成的超限高大模板支撐加固安全專項施工方案，完成模板支撐和加固體系后，經驗收通過后，方可澆筑混凝土。

借助 BIM 可視化的特性，對混凝土澆筑順序和施工操作要點進行動態化模擬演示，特別是對預應力梁和框架梁相交部位鋼筋、波紋管矢高布置圖，振搗引導器所在位置的澆筑順序進行詳細地模擬分析并明確預應力混凝土澆筑，有效實現預應力梁區域超限梁支撐體系受力相對均衡。借助 BIM 三維模型，進行三維可視化混凝土澆筑技術交底，提高澆筑作業人員的操作能力。施工要點如下。

1）施工前，進場拌合物的坍落度和擴展度，經檢驗合格后，方可澆筑。

2）澆筑前，注意預應力張拉端進行覆蓋保護并做好標識，避免混凝土澆筑造成破壞，并在振搗過程中，對于張拉端墊板后混凝土必須振搗密實以防后期預應力張拉時發生端部混凝土出現開裂現象。

3）按照澆筑方案劃分 I、II、III 標段，每標段分三層從中心向兩側對稱依次澆筑、振搗，確保振搗到位。

4）澆筑時，將振動棒插入預先安裝好的振搗引導器內，采取快插慢拔的原則，充分振搗，實現預應力梁底部混凝土振搗密實。

5）加強對預應力混凝土梁的薄膜養護，防止張拉前出現早期收縮裂縫。

4 結語

通過對大面積復雜預應力混凝土梁施工過程進行應用總結，并創新性地應用一種振搗引導器在預應力混凝土梁區內的施工技術，有效地解決了大面積復雜預應力梁區域混凝土施工中，梁底部因鋼筋和波紋管密集排布而施工質量難以有效得到保證的難題，為有效地降低預應力混凝土在抵抗重荷載和大跨度結構等效應而產生的裂縫提供技術保證，在超深預應力混凝土梁結構澆筑過程中可作為一項大力推廣應用的創新技術。Q