預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)在高層建筑中的應(yīng)用研究

柳建強(qiáng)

預(yù)應(yīng)力技術(shù)是通過(guò)設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，為結(jié)構(gòu)預(yù)先施加一定應(yīng)力，以保證結(jié)構(gòu)的綜合性能和穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工對(duì)技術(shù)有很高要求，若未按照相關(guān)要求操作，會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，無(wú)法發(fā)揮出預(yù)期的作用。因此，必須根據(jù)工程實(shí)際情況，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行操作。

1 工程概況

某高層公寓的主體為外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，地上共29 層，建筑高約99.6 m，總建筑面積約2.71 萬(wàn)m2。該建筑的6 ～24 層、26 層和27 層均采用預(yù)應(yīng)力混凝土無(wú)梁樓蓋，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.8 m，標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸38.65 m×28.70 m。

2 預(yù)應(yīng)力施工材料

預(yù)應(yīng)力筋為低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，直徑15 mm，外部包裹聚乙烯塑料，最大強(qiáng)度可以達(dá)到1860 MPa，即19000 kg/cm2，滿足相關(guān)規(guī)范要求。張拉端為夾片式錨具，固定端采用喉箍固定承壓板。在施工前，需要對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度、彈性模量與延伸率、錨具硬度以及組裝件的強(qiáng)度與張拉延伸率進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。所有試驗(yàn)項(xiàng)目均應(yīng)由具備相關(guān)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行。

3 預(yù)應(yīng)力施工工藝

3.1 施工工藝流程

預(yù)應(yīng)力施工工藝流程：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線—鋼絞線下料—擠壓—修補(bǔ)—編號(hào)—分類—鋼絞線盤放—鋼絞線起吊—鋼絞線鋪設(shè)—修補(bǔ)—檢驗(yàn)—混凝土澆筑—預(yù)應(yīng)力張拉—現(xiàn)場(chǎng)記錄—鋼絞線切割—封端—模板拆除。

預(yù)應(yīng)力筋的加工制作和張拉均應(yīng)與樓板施工保持同步，在施工樓板鋼筋的同時(shí)將預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)到位，防止過(guò)多占用主導(dǎo)工序的施工時(shí)間，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)。由于第6 層的預(yù)應(yīng)力筋為首次鋪設(shè)，消耗的時(shí)間較多，后續(xù)的鋼筋施工和預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)所需的時(shí)間較少，施工1 層一般需要7 d。

3.2 施工工藝

3.2.1 鋼絞線下料

該高層公寓建筑絕大多數(shù)預(yù)應(yīng)力筋的錨固端處于梁板中，張拉端直接外露，這種預(yù)應(yīng)力筋的下料長(zhǎng)度為埋入結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)度與張拉端長(zhǎng)度之和。對(duì)于需要在兩端進(jìn)行張拉的預(yù)應(yīng)力筋，其下料長(zhǎng)度為埋入結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)度與2倍張拉端長(zhǎng)度之和。若設(shè)計(jì)未提出特殊要求，則可以按照800 ～900 mm控制下料長(zhǎng)度。

3.2.2 預(yù)應(yīng)力筋制作與組裝

在制作與組裝預(yù)應(yīng)力筋的過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn)：第1，在加工制作預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照計(jì)算確定的下料長(zhǎng)度做好分類和編號(hào)[1]。第2，在存放和運(yùn)輸時(shí)，要采取有效措施，避免預(yù)應(yīng)力筋受到日曬雨淋，外部的聚乙烯管不能有任何破損，必要時(shí)可以纏繞膠帶防止其破損。經(jīng)初步計(jì)算，纏繞1 層大約需要40 卷膠帶。第3，預(yù)應(yīng)力筋的切割要使用砂輪切割機(jī)進(jìn)行，禁止通過(guò)電焊切割[2]。第4，在組裝固定端時(shí)，要借助千斤頂適當(dāng)加壓固定。第5，在其中一個(gè)端頭在加壓作用下達(dá)到固定狀態(tài)后，檢查預(yù)應(yīng)力筋。如果發(fā)現(xiàn)有破損的情況，應(yīng)纏繞膠帶加以修補(bǔ)。修補(bǔ)完成后，將預(yù)應(yīng)力筋盤放成直徑為2 m 的圓圈，并進(jìn)行編號(hào)。

3.2.3 預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)

在預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)前，要對(duì)施工班組進(jìn)行全面技術(shù)交底[3]。梁板中的預(yù)應(yīng)力筋按照曲線鋪設(shè)，局部按照直線鋪設(shè)。對(duì)于單向連續(xù)梁板，其預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)較為簡(jiǎn)單，鋪設(shè)方法和要求與普通鋼筋基本一致。此項(xiàng)目的樓蓋為雙向連續(xù)板，需要將預(yù)應(yīng)力筋布置成雙向曲線，不同方向上的預(yù)應(yīng)力筋要相互穿插，施工操作難度較大[4]。

在預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)過(guò)程中，可以借助鐵馬凳來(lái)控制曲率，其間距不應(yīng)超過(guò)1.5 m，并用鐵絲扎緊。對(duì)于需要在雙向進(jìn)行配筋的預(yù)應(yīng)力筋，應(yīng)先鋪設(shè)標(biāo)高相對(duì)較低的部分，再鋪設(shè)標(biāo)高較高的部分，盡量避免不同方向上的預(yù)應(yīng)力筋相互穿插。

梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋與普通鋼筋一同鋪設(shè)，需按照設(shè)計(jì)曲線做好就位和固定。對(duì)于連續(xù)梁的支座部位，可以利用鉛絲將預(yù)應(yīng)力筋綁扎在由普通鋼筋搭設(shè)的骨架上，在反彎點(diǎn)的位置沿梁體寬度方向設(shè)置直徑適宜的鋼筋，并與梁箍筋焊接在一起。將普通鋼筋的短鋼筋綁扎牢固，并在中間點(diǎn)的位置使用鋼筋支座固定。當(dāng)鋼筋支座間距小于5 cm 時(shí)，可以設(shè)置混凝土墊塊。為了使曲線形狀達(dá)到要求，按照1.5 m的間距設(shè)置控制點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)的實(shí)際偏差不得超過(guò)±10 mm。梁結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層的厚度應(yīng)達(dá)到40 mm，板結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層的厚度應(yīng)達(dá)到20 mm。

梁板結(jié)構(gòu)中有很多水電預(yù)埋管。在鋪設(shè)預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，要與給排水和電氣專業(yè)的施工人員互相配合，嚴(yán)格控制電弧焊的過(guò)程，避免因管線的存在而抬高或降低預(yù)應(yīng)力筋的垂直位置。對(duì)于張拉端設(shè)置的承壓板，要利用鐵釘將其固定在端模上。張拉時(shí)施加的作用力應(yīng)與承壓板表面始終保持垂直，垂直度偏差應(yīng)控制在±3 mm 以內(nèi)。

3.2.4 混凝土澆筑

在樓板澆筑過(guò)程中，嚴(yán)禁直接踩踏預(yù)應(yīng)力筋及其支撐架體[5]。若發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋有明顯位移應(yīng)立即處理，以免對(duì)混凝土的澆筑造成影響。運(yùn)輸混凝土的小車不可進(jìn)入樓面，否則會(huì)損壞預(yù)應(yīng)力筋外部的保護(hù)層，將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋在后續(xù)張拉過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大。

在混凝土澆筑過(guò)程中，應(yīng)安排專人檢查承壓板上各條預(yù)應(yīng)力筋的具體位置，若發(fā)現(xiàn)偏斜應(yīng)立即糾正。如果張拉端的承壓板部位存在木盒或螺旋箍筋，應(yīng)高度關(guān)注這些部位的混凝土振搗，使混凝土達(dá)到密實(shí)，形成符合要求的承壓力。

對(duì)轉(zhuǎn)換層樓板的澆筑，應(yīng)按照先梁后板的順序進(jìn)行，將混凝土澆筑到板底后開(kāi)始一體施工。對(duì)于轉(zhuǎn)換大梁，需從跨中向兩端支座分層澆筑混凝土，每層厚度為400 ～600 mm。兩跨及以上的連續(xù)梁則要從兩端支座向跨中的方向同時(shí)澆筑，最終匯合于中間支座的位置。樓板需按照從短跨向長(zhǎng)跨的方向連續(xù)澆筑混凝土。所有的混凝土澆筑施工都要保持連續(xù)，若不能連續(xù)則要盡量縮短間隔時(shí)間，并在下層混凝土初凝前完成上層的澆筑。

采用振搗棒對(duì)澆筑完成的部分進(jìn)行振搗，注意不能與鋼筋、預(yù)埋件和管線發(fā)生碰撞。如果發(fā)現(xiàn)模板變形明顯，要立即校正并進(jìn)行必要的加固處理。在整個(gè)澆筑過(guò)程中，要注意模板上不能堆積太多混凝土，并使虛鋪厚度略大于樓板自身的厚度，使用平板振動(dòng)器沿垂直方向反復(fù)振搗。混凝土振搗完成，經(jīng)檢查達(dá)到密實(shí)狀態(tài)后，由施工人員使用刮尺或拖板等工具將混凝土表面抹平，在必要的情況下進(jìn)行二次收漿。

將混凝土振搗密實(shí)后，為準(zhǔn)確測(cè)定混凝土內(nèi)部的溫度及其變化情況，在每個(gè)澆筑層中均設(shè)置測(cè)溫管。在埋設(shè)測(cè)溫管的過(guò)程中，要將測(cè)溫管設(shè)置在跨中與端部截面的中部或下部。端部截面中部與下部的實(shí)測(cè)溫度代表內(nèi)部溫度，而上部溫度則代表外部溫度。溫度測(cè)量按照2 h/次的頻率進(jìn)行，測(cè)溫周期為澆筑結(jié)束7 d 內(nèi)。若測(cè)溫結(jié)果顯示混凝土內(nèi)外溫差超過(guò)25 ℃，或溫度下降速度較快，則要采取相應(yīng)的措施來(lái)縮小溫差或減緩溫度降低速度。

在轉(zhuǎn)換層中，支撐的絕大多數(shù)載荷都要傳遞至梁上，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層載荷較大，超出設(shè)計(jì)值。為了避免超載，需在梁上結(jié)合受力情況增設(shè)斜向拉桿，以減小計(jì)算跨度，保證梁體的承載力。在施工過(guò)程中，要對(duì)所有拉桿進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)，獲得拉桿應(yīng)力及其變化，為相關(guān)技術(shù)人員提供正確指導(dǎo)。具體方法為在所有拉桿上設(shè)置應(yīng)變片，借助應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，每30 s掃測(cè)1次各測(cè)點(diǎn)，生成各測(cè)點(diǎn)實(shí)際應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線。拉應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 拉應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知，每根受預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增加量都小于100 MPa，證明應(yīng)力控制有效。梁內(nèi)應(yīng)力的最大值處于允許范圍內(nèi)，與理論計(jì)算結(jié)果相符，說(shuō)明整個(gè)施工過(guò)程較為安全可靠。部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果偏大，原因是梁端設(shè)有輸送管道，其受到振動(dòng)的作用后導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力增加量較大，因此在后續(xù)施工中應(yīng)考慮輸送管道施加的振動(dòng)荷載。

3.2.5 拆除模板

該高層公寓建筑工程對(duì)模板拆除的要求十分嚴(yán)格，每月至少施工4 層，在進(jìn)行第4 層混凝土澆筑時(shí)，需要將下面3 層作為頂撐，不可拆除。因此，在施工第4 層時(shí)，下面3 層的頂板必須全部保留，并在第1 層和第2 層分別按照1000 mm 的間距設(shè)置外梁頂撐，在頂板處以留塊的方法加以支撐[6]。

3.2.6 預(yù)應(yīng)力張拉與防護(hù)

混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%后，才能進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。張拉設(shè)備采用YC-200D 千斤頂，在張拉端設(shè)置夾片式錨具。預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)采用雙控法，即主要控制應(yīng)力，同時(shí)控制預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)率。張拉控制應(yīng)力初步設(shè)定為195.2 kN，張拉伸長(zhǎng)值的偏差不應(yīng)超過(guò)計(jì)算值的-5%～10%。對(duì)于成束的預(yù)應(yīng)力筋，應(yīng)在正式張拉前使用千斤頂反復(fù)拉動(dòng)，以避免其在張拉過(guò)程中產(chǎn)生較大的摩阻損失。

梁和板中預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序?yàn)橄葟埨蚣芰褐械念A(yù)應(yīng)力筋，再?gòu)埨逯械念A(yù)應(yīng)力筋，一端張拉結(jié)束后對(duì)另一端進(jìn)行補(bǔ)張拉。在張拉預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，若部分鋼絲出現(xiàn)滑脫或斷裂的現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)減小張拉力。發(fā)生滑脫或斷裂現(xiàn)象的預(yù)應(yīng)力筋的根數(shù)不得超過(guò)結(jié)構(gòu)中同一個(gè)截面預(yù)應(yīng)力筋總數(shù)的2%。張拉完成后，切除多余的預(yù)應(yīng)力筋，露出夾片的預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度不應(yīng)小于30 mm.此外，要對(duì)錨具進(jìn)行必要的防護(hù)處理。

3.2.7 土建部分施工

為確保預(yù)應(yīng)力施工順利完成，土建部分施工應(yīng)注意以下3 個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：第1，各樓層的樓板預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)束后，應(yīng)盡快砌筑隔墻，間隔時(shí)間通常不應(yīng)超過(guò)30 d。第2，預(yù)應(yīng)力施工完成后，每個(gè)樓層施工過(guò)程中的荷載都不得超過(guò)12 kN/m2。第3，本項(xiàng)目?jī)?nèi)筒的剛度遠(yuǎn)大于框架柱的剛度。為了避免張拉完成后轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生殘余彎矩使柱子產(chǎn)生裂縫，通常要在柱子周圍設(shè)置后澆帶[7]。

經(jīng)過(guò)相關(guān)專家的綜合論證，決定不采用設(shè)置后澆帶的方法，而對(duì)梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行加筋處理。

4 預(yù)應(yīng)力施工方案的綜合效益分析

項(xiàng)目采用的預(yù)應(yīng)力樓板方案，會(huì)使造價(jià)升高約6%，但在建筑高度不變的情況下，此方案能夠增加層數(shù)并提高建筑面積。相較于其他方案，采用預(yù)應(yīng)力樓板能夠減少混凝土和鋼材的實(shí)際用量。采用普通混凝土樓板時(shí)，總建筑面積為2.5 萬(wàn)m2，每平方米的混凝土用量約為0.214 m3，每平方米鋼材用量約36.5 kg；采用預(yù)應(yīng)力樓板時(shí)，建筑面積為2.71 萬(wàn)m2，每平方米的混凝土用量約為0.23 m3，每平方米的鋼材用量約為25.7 kg。采用預(yù)應(yīng)力樓板雖然會(huì)使單位面積混凝土用量增加7.5%，但是能夠使鋼材用量減少約30%，還能增加約1600 m2的建筑面積，說(shuō)明此方案具有非常良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在高層建筑中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐表明，通過(guò)合理應(yīng)用此技術(shù)，可以增加建筑面積，顯著減少鋼材用量。本文結(jié)合高層建筑的實(shí)際情況，分析了預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)的具體應(yīng)用，以期為其他高層建筑的預(yù)應(yīng)力施工提供可靠的技術(shù)參考。