關于大跨度現澆鋼筋混凝土梁起拱的探討

劉逸文, 張文宇, 周 亮, 周嗣牧, 王 蓋

(中國華西企業股份有限公司第十二建筑工程公司, 四川成都 610081)

0 引言

隨著建筑行業的蓬勃發展,現代建筑已不再僅僅局限于滿足使用功能的要求,而更進一步追求新穎的造型、寬敞明亮的空間以及開闊的視野,因此,在確保工程質量和安全前提下,對結構設計的要求也逐漸提高。為此,設計通常采用大跨度現澆鋼筋混凝土結構的形式。本文就某綜合樓建設項目大跨度現澆混凝土梁體的起拱進行簡要介紹,對其起拱高度、起拱方式以及起拱效果進行分析,以提高大跨度鋼筋混凝土結構施工中的安全和質量控制能力,供類似工程參考。

1 工程概況

大渡河流域上段生產管理中心營地建設工程地處四川省阿壩州金川縣。工程占地面積約4 000 m2,設計建筑面積總計23 301.74 m2(其中新增建筑面積19 198.40 m2,保留改造已有辦公樓面積4 103.34 m2,包含辦公、公寓(宿舍)、文化活動及其他相關配套建筑。

該項目擬建地上建筑為1棟綜合樓,包括1座3層、1座4層裙房和1座16層塔樓。16層塔樓最大建筑高度59.65 m,采用框剪的結構形式,剪力墻二級、框架抗震等級三級;3層裙房最大建筑高度14.10 m,采用框架結構形式,框架抗震等級三級,有局部地下室;4層裙房最大建筑高度17.35 m,采用框架結構形式,框架抗震等級三級。裙房區域結構設計采用了大跨度梁的形式來滿足空間造型,框架梁的最大跨度達到26.80 m,應根據設計和規范要求進行起拱。

2 起拱原理

通常來說,起拱從原理上可分為兩大類,即施工起拱與設計起拱。

2.1 施工起拱

在鋼筋、混凝土的自重以及施工荷載等作用下,模板及支撐系統可能存在一定量的沉陷或變形,為了消除此部分變形,施工時將模板按照要求進行一定的起拱,此類稱為施工起拱。模板拆除后,施工起拱值在理想情況下應被抵消,梁體成水平狀態。

2.2 設計起拱

鋼筋混凝土受彎構件的最大撓度應滿足規范要求,而大跨度受彎構件撓度計算值容易偏大,其剛度不易控制,通常采用增大構件截面高度或增加含鋼量等方法加以控制,但這些方式對大跨度構件來說影響其使用空間且經濟上也不合理,因此,借助模板起拱進行補償設計來滿足結構設計規范的撓度極限值是較為有效的方式之一,此類稱為設計起拱。

3 起拱值

關于起拱取值,規范相關規定有:

GB50010-2010《混凝土結構設計規范》中3.4.3條規定:如果構件制作時預先起拱,且使用上也允許,則驗算撓度時,可將計算所得撓度值減去起拱值[1]。

GB50666-2011《混凝土結構工程施工規范》中4.4.6規定:對跨度不小于4 m的梁、板,其模板施工起拱高度宜為梁、板跨度的1/1000～3/1000。起拱不得減少構件的截面高度[2]。

關于起拱值的選取,有些設計在圖紙中雖描述了起拱,但未明確該起拱值是為了補償結構設計中的最大撓度值還是施工時應考慮的模板起拱,亦或是兩者結合,導致施工方取值錯誤,可能由此造成起拱高度不夠,結構出現明顯下撓,甚至產生裂縫,影響結構的外觀及使用功能,更有甚者會對結構安全性產生影響。也有可能造成起拱高度過大,結構完成面超過設計值,表面平整度誤差過大,影響后續裝飾裝修等工序。而起拱時,鋼筋也同樣有一定起拱度,若起拱值過大,鋼筋無法恢復原狀,將一定程度影響其抗拉性能的發揮。

故在施工前,施工方與設計方應及時溝通,明確圖紙中關于起拱的描述,是僅僅在結構設計中對撓度控制需要的起拱高度還是也包括驗收規范規定的施工時應考慮的起拱高度[3],這是保證后續起拱施工質量的前提。

本工程設計總說明中對于起拱的描述:“當板短向跨度不小于3 m時,模板應按短向跨度的2‰～3‰起拱;當梁凈跨大于5 m時,模板應按跨度的2‰～3‰起拱,跨高比大者取大值;懸挑梁當L≥2 m時,起拱3‰。”對于大跨度懸挑梁(跨度不小于7.5 m),設計在梁圖中標注梁端起拱45 mm。通過與設計人員溝通,圖紙中的起拱參數已包括補償結構下撓的起拱值以及驗收規范規定的施工時應考慮的起拱高度,不需要再次疊加起拱值。

4 起拱方式

關于現澆梁起拱方式的問題,已經有總結許多的施工經驗,主要分為幾種。

4.1 減拱法

該種方式僅僅在梁底部進行起拱,而梁頂保持水平,如果混凝土澆筑完成后,起拱值大部分未被完全抵消,這會使梁截面高度有所削弱,梁的強度和剛度均有所降低,致使跨中承載能力降低,此時跨中截面的承載力應進行驗算,如圖1所示。

圖1 減拱法示意

4.2 增拱法

該種方式,在保證梁截面高度不變,梁頂隨梁底部同時起拱,這樣不會降低梁的強度和剛度,如圖2所示。

圖2 增拱法示意

根據經驗,采用減拱法無論鋼筋是否同樣起拱,都會減小梁跨中的有效截面高度,致使梁體強度和剛度降低。而增拱法則不會減小有效截面高度,也不會導致強度和剛度的降低,但若是鋼筋不同時起拱的話,箍筋的尺寸是逐漸變化的,這給施工帶來諸多不便,而鋼筋同時起拱可以有效避免這種問題。鋼筋同時起拱的增拱法,在不降低設計承載力的基礎上,更加利于施工,是目前最合理的起拱方式之一。因此對于大跨度結構,應采用鋼筋同時起拱的增拱法。

5 施工控制

就大渡河流域上段生產管理中心營地建設工程而言,跨度不小于8m的梁體起拱,采用圓曲線矢高法計算大跨度梁體的起拱值,以跨中為中心,兩側對稱均勻弧線形起拱,根據模板支撐方案將梁下立桿定位,其頂端對應各點即為弧線上各點。以跨中至梁邊立桿為弦,可以得出弦中點矢高(1/4跨中立桿標高),然后依次加密弧上各點,最后連接成完整的弧線,這樣可以得出梁下相應立桿頂的標高。

現場利用高精度水準儀加紅外線配合的方式進行測量,雙向校核大跨度梁起拱高度。使用中軸線法,先確定中軸線梁底支架立桿標高。按柱子上彈好的標高控制線鋪好底模,根據計算出的各支架立桿標高,通過旋轉調節立桿的可調托座外露絲桿長度,調整底模高度,使用測量儀器校核跨中兩側立桿標高,校核無誤后,分別向中軸線梁兩側引測模板支架立桿標高,每道梁均要校核跨中兩側對稱立桿標高。最后沿次梁方向,校核同一排支架立桿的標高,提高測量精度。雙向校核,形成網格測量,確保各主梁各起拱高度一致。

6 效果分析

當結構設計無需起拱來補償使用荷載下的撓度值時,最理想狀態是拆模后梁體產生的下撓正好與施工起拱值抵消。

本項目模板采用木膠合板，支撐材料采用承插型盤扣式腳手架，在按照設計要求起拱后，在達到規范要求強度下，拆除模板，現場技術人員采用水準儀隨機對大跨度梁標高進行測量。測量結果顯示，拆除模板后，梁頂的標高不是全部剛剛好恢復至水平狀態，而存在部分向下產生撓度，部分向上殘留拱度，但是誤差值不大，起拱總體上達到了設想效果。

出現上述結果的原因有很多,本工程可能的原因見表1。

表1 缺陷原因與防治措施

7 結束語

結合上述分析可知，對大跨度現澆鋼筋混凝土梁體，相較于其他提高剛度和強度的方法，起拱是更加經濟有效的措施，可達到減小結構梁高，降低層高，利用空間，節約工程造價之目的[4]。在確定起拱高度的時候，應正確理解設計和規范對于起拱值的界定，及時與設計者溝通，合理取值。

起拱所采用的方式不能削弱削弱梁截面高度,不得影響梁體的承載能力,建議以鋼筋同時起拱的增拱法為宜。