預(yù)應(yīng)力混凝土折梁在坡面屋頂施工中的應(yīng)用研究

呂斐

（山西三建集團有限公司，山西長治 046000）

0 引言

構(gòu)成坡面屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)除折板外還包括斜墻、折梁等，在具體施工期間，應(yīng)根據(jù)實際案例概況確定坡面屋頂預(yù)應(yīng)力混凝土折梁構(gòu)造，合理選擇折梁材料，精細化確定折梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，以此方可保障折梁結(jié)構(gòu)與工程建筑坡面屋頂結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性。對于坡面屋頂而言，折梁結(jié)構(gòu)起到支撐效果，若折梁施工不當，則會大幅降低建筑屋頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此，圍繞預(yù)應(yīng)力混凝土折梁展開研究具有較強現(xiàn)實意義。

1 工程概況

為增強本次坡面屋頂預(yù)應(yīng)力混凝土折梁施工以研究的針對性，選取某體育館工程項目為實例進行具體研究分析。該體育館為框架結(jié)構(gòu)，地上一層，屋頂為雙坡式坡屋面，以50 年為設(shè)計使用年限，當?shù)貫榘硕瓤拐鸱懒叶?，施工期間以此為標準設(shè)計體育館坡面屋頂防震參數(shù)，設(shè)計地震分組為第三組、特征周期為0.45s、設(shè)計地震加速度為0.2g、框架抗震等級為一級。體育館建筑長向尺寸與短向尺寸分別為45.9m、32.4m，為保障體育館屋頂所構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)能夠符合標準，并滿足體育館屋頂結(jié)構(gòu)變形與裂縫要求，選用預(yù)應(yīng)力混凝土折梁作為該體育館坡面屋頂?shù)闹饕Y(jié)構(gòu)之一，按照案例體育館建筑建設(shè)情況來看，其預(yù)應(yīng)力混凝土折梁跨度最終為32.4m。

2 基于工程實例的坡面屋頂預(yù)應(yīng)力混凝土折梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 材料選擇

案例體育館建筑工程項目以21.99mm 直徑的鋼絞線為預(yù)應(yīng)力筋，重量共計2.95kg/m，抗拉強度標準值、預(yù)應(yīng)力筋抗拉強度設(shè)計值分別為1860MPa、1320MPa，單束截面面積與彈性模量分別為313mm、195GPa，預(yù)應(yīng)力筋采用一端張拉方式，其中張拉端、固定端分別采用夾片錨、擠壓錨，除此之外，體育館建筑坡面屋頂預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制力應(yīng)為抗拉強度標準值的3/4，即1395MPa，所采用的混凝土材料以C40 為強度等級，混凝土抗拉強度、混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值、混凝土受壓彈性模量分別為1.7N/mm2、19.1N/mm2、3.25×104N/mm2，而對于非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋，則選用HRB400等級的鋼筋材料，其鋼筋抗拉強度設(shè)計值、鋼筋彈性模量分別為360N/mm2、2×105N/mm2。

2.2 截面估算

在案例體育館建筑坡面屋頂結(jié)構(gòu)中，以矩形截面為梁截面，以32.4m 為體育館坡面屋頂預(yù)應(yīng)力混凝土折梁跨度，該跨度參數(shù)較大，且存在較重屋面荷載，因此，為保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性，基于實踐經(jīng)驗與行業(yè)規(guī)范，將跨高比、梁截面高度分別設(shè)計為1/20、1.7m，結(jié)合體育館建筑坡面屋頂結(jié)構(gòu)折截面高寬比而綜合考慮張拉要求及預(yù)應(yīng)力筋布置情況，最終將折梁截面寬度設(shè)計為40cm。

2.3 計算內(nèi)力

為精準了解案例體育館建筑坡面屋頂折梁結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分布情況而引入了PKPM 建筑工程軟件，借助該軟件展開結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，所得預(yù)應(yīng)力混凝土折梁的內(nèi)力參數(shù)如表1 所示。

表1 預(yù)應(yīng)力混凝土折梁的內(nèi)力參數(shù)

2.4 方案比選

2.4.1 配筋方案

案例體育館建筑坡面屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，為最大限度提高坡面屋頂折梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工效果，共設(shè)計兩種混凝土折梁配筋方案。方案1 僅配置普通鋼筋，并未應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼筋，在小跨度梁場景中更為適用。方案2是指在配置普通鋼筋基礎(chǔ)上加設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋，該方案成本高于方案1，但在大跨度梁場景能夠發(fā)揮出更好效果。為保障該體育館建筑坡面屋頂折梁結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，對兩個方案進行對比選擇，從多個角度展開方案比選分析，對普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋精細化配置，機構(gòu)方案比選后最終選用方案2，于體育館建筑坡面屋頂混凝土折梁結(jié)構(gòu)中增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋，共計8 根。在后續(xù)施工期間，則以受力結(jié)構(gòu)為依據(jù)合理擺放施工錨具，精準配置預(yù)應(yīng)力筋，以此保障預(yù)應(yīng)力混凝土折梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工科學性，提升體育館坡面屋頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性[1]。

2.4.2 驗算裂縫

案例體育館建筑坡面屋頂結(jié)構(gòu)折梁跨度較大，為32.4m，為保障折梁結(jié)構(gòu)配置效果，對兩種配筋方案進行對比選擇，在對比期間，將跨中折算配筋率、支座折算配筋率分別設(shè)計為2.5%、2.0%，對折梁所產(chǎn)生的縫隙寬度進行對比，經(jīng)驗算對比發(fā)現(xiàn)，方案1 與方案2 所形成的折梁裂縫寬度分別為0.39mm、0.089mm。案例體育館工程項目按三級裂縫等級進行控制，要求折梁結(jié)果的裂縫寬度最大值不可超過0.1mm，但結(jié)合上述裂縫驗算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅配置普通鋼筋的方案1 所產(chǎn)生的裂縫寬度偏大，為0.39mm，已超過體育館工程項目施工標準，不符合要求。而方案2 不僅應(yīng)用了普通鋼筋，還引入了預(yù)應(yīng)力鋼筋，在兩種鋼筋的協(xié)同作用下，最終所形成的折梁結(jié)構(gòu)裂縫寬度較小，僅為0.089mm，低于0.1mm 的裂縫寬度限值，符合要求，因此，從裂縫角度來看，方案2 優(yōu)于方案1。

2.4.3 變形驗算

將跨中折算配筋率、支座折算配筋率分別設(shè)計為2.5%、2.0%，對方案1 與方案2 所形成的最大變形值進行對比分析。經(jīng)驗算后發(fā)現(xiàn)，僅配置普通鋼筋的方案1、方案2 所產(chǎn)生的變形最大值分別為175mm、152mm。結(jié)合該變形驗算結(jié)果不難看出，兩種方案在體育館坡面屋頂結(jié)構(gòu)中不可避免地會出現(xiàn)變形情況，但兩種方案所出現(xiàn)的變形程度存在差異，方案1 的最大變形值明顯高于方案2，因此，從變形程度來看，方案2 更為適用。

2.4.4 承載驗算

對案例體育館建筑坡面屋頂結(jié)構(gòu)的折梁跨中折算配筋率、支座折算配筋率進行控制，分別將其控制為2.5%、2.0%。在此基礎(chǔ)上，運用折梁抵抗彎矩（Mu）與折梁極限組合彎矩（M）之間的比值而對比分析兩種方案的抗彎承載力。將折梁抵抗彎矩（Mu）與折梁極限組合彎矩（M）之間的比值記為“Mu/M”，對方案1 與方案2的折梁結(jié)構(gòu)Mu/M 值進行對比驗算。發(fā)現(xiàn)在方案1 狀態(tài)下，折梁的左支座、右支座、跨中位置的Mu/M 值分別為0.9、0.9、1.13；在方案2 狀態(tài)下，折梁的左支座Mu/M 值為1.22，右支座的Mu/M 值為1.22，跨中位置的Mu/M值為1.09。結(jié)合上述承載力驗算結(jié)果可見，若選用方案1，則體育館建筑坡面屋頂折梁支座去位置的Mu/M 值低于1，這就意味著抵抗彎矩低于彎矩值，該折梁結(jié)構(gòu)存在安全隱患。而選用方案2 同時應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼筋與普通鋼筋時，此時無論是跨中還是支座結(jié)構(gòu)，其Mu/M值均符合要求，即大于1，抵抗彎矩大于彎矩值，意味著體育館坡面屋頂折梁結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定[2]。

經(jīng)綜合對比后不難看出，預(yù)應(yīng)力鋼筋配置后能夠大幅提升坡面屋頂折梁結(jié)構(gòu)承載性能，除此之外，若選用方案1，為保障折梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量，需提升普通鋼筋配筋率，但鋼筋配筋率過高不利于實際施工，導致鋼筋間距過小。而按照相等要求進行方案2 施工時，則所配置的鋼筋排數(shù)較小，不僅可表現(xiàn)出優(yōu)異的承載性能，還不會對鋼筋間距產(chǎn)生負面影響，因此，通過綜合選擇，選用方案2 進行體育館坡面屋頂折梁施工。

3 坡面屋頂預(yù)應(yīng)力混凝土折梁施工技術(shù)應(yīng)用

經(jīng)方案比選與科學設(shè)計后，案例體育館建筑工程項目決定采用預(yù)應(yīng)力混凝土折梁結(jié)構(gòu)坡面屋頂進行施工。以下從多個角度分析坡面屋頂預(yù)應(yīng)力混凝土折梁施工技術(shù)的具體應(yīng)用情況。

3.1 前期施工準備

為保障預(yù)應(yīng)力混凝土折梁在坡面屋頂施工技術(shù)應(yīng)用效果，在正式施工之前，應(yīng)做好前期施工準備工作。

（1）技術(shù)交底。以預(yù)應(yīng)力混凝土折梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及施工計劃為依據(jù)組織技術(shù)交底會議，對折梁施工技術(shù)重難點加以強調(diào)，使施工人員加強對預(yù)應(yīng)力混凝土折梁施工技術(shù)的重視，繼而起到提高施工質(zhì)量的效果。依照技術(shù)專業(yè)的不同，做好各崗位的崗前培訓工作，保證現(xiàn)場施工人員能夠?qū)χ仉y點施工對策應(yīng)知盡知。

（2）機械核查。于施工之前注意檢查材料設(shè)備配備情況。在預(yù)應(yīng)力混凝土折梁施工期間，需運用大型吊裝設(shè)備進行安裝，為避免出現(xiàn)安全事故，需于施工之前全面檢查機械設(shè)備綜合性能，并增設(shè)試運行環(huán)節(jié)，用于檢驗機械設(shè)備運行效果，確定機械設(shè)備無運行隱患后方可將其投入至實際施工中。

（3）安全教育。相較于其他分項工程，折梁施工復雜程度較高，安全系數(shù)較大，在安全生產(chǎn)基本國策指導下，案例工程項目在坡面屋頂施工之前組織了安全教育工作，不僅強調(diào)預(yù)應(yīng)力混凝土折梁施工技術(shù)安全要點，還總結(jié)類似工程的安全事故案例，起到警醒作用，并帶領(lǐng)施工人員全面檢查安全帽等安全防護設(shè)備，將安全理念全面滲透到實際施工中。

3.2 材料強度檢測

在坡面屋頂預(yù)應(yīng)力混凝土折梁施工之前，注意檢查混凝土材料及結(jié)構(gòu)強度，要求混凝土材料不可摻加含有氯離子的不合規(guī)材料，以免氯離子對預(yù)應(yīng)力鋼筋起到腐蝕效果，此時則需于折梁施工前運用實驗室法（電位法、硝酸銀噴涂法、化學滴定法等）檢驗混凝土材料氯離子含量，從材料質(zhì)量角度保障預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上檢查鋼筋外觀，運用萬能試驗機檢驗鋼筋材料的抗拉強度，借助標準秤檢驗鋼筋單位重量，注意控制重量負差。

3.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋安裝

按照施工要求搭設(shè)預(yù)應(yīng)力張拉平臺，為后續(xù)預(yù)應(yīng)力筋張拉奠定基礎(chǔ)。

（1）對預(yù)應(yīng)力鋼筋進行切斷處理時，結(jié)合現(xiàn)場情況進行物理切割，靈活運用砂輪鋸等工具設(shè)備。

（2）在具體預(yù)應(yīng)力筋施工期間受到抗扭鋼筋、箍筋、梁體主筋等干擾可能出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管道設(shè)置偏差問題，因此，施工過程中需注意控制次梁預(yù)應(yīng)力筋點位，結(jié)合鋼筋結(jié)構(gòu)主次及結(jié)構(gòu)具體情況適當微調(diào)短跨方向，用于提升預(yù)應(yīng)力筋長跨方向精準性。

（3）對坡面屋頂折梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋進行張拉施工時，注意驗算應(yīng)力參數(shù)，綜合考慮多種要素而精準確定張拉預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力，以此確保預(yù)應(yīng)力筋張拉符合施工要求。

（4）為最大限度保障預(yù)應(yīng)力筋張拉質(zhì)量，應(yīng)于施工期深化設(shè)計，從次梁開始逐步張拉，循環(huán)張拉完畢后整體性檢查預(yù)應(yīng)力筋張拉效果，若發(fā)現(xiàn)缺陷及時調(diào)整，完成次梁張拉后展開主梁張拉，通過一次性張拉施工而保障最終折梁施工質(zhì)量，在張拉平臺作用下而實現(xiàn)安全施工[3]。

3.4 張拉灌漿施工

按照施工規(guī)范完成體育館坡面屋頂混凝土折梁預(yù)應(yīng)力筋張拉作業(yè)后，以2d 為間隔進行預(yù)應(yīng)力筋孔道灌漿作業(yè)，要求預(yù)應(yīng)力筋孔道灌漿施工期間保持勻速狀態(tài)，對注漿壓力精細化控制，且要求一次注漿完成，非必要情況不可中斷注漿作業(yè)。若出現(xiàn)孔道溢漿現(xiàn)象，需注意觀察濃漿狀態(tài)，待溢漿穩(wěn)定后則可停止注漿。預(yù)應(yīng)力筋孔道灌漿漿液采用硅酸鹽水泥，等級不可低于P.O 42.5，并于施工期間注意控制水泥漿配合比，將水灰比參數(shù)控制在0.4～0.45，完成灌漿作業(yè)后計算28d 強度，確認強度符合標準后則可進入下一道工序。經(jīng)灌漿養(yǎng)護后預(yù)應(yīng)力混凝土折梁結(jié)構(gòu)強度已符合要求，此時需借助物理切割方式進行預(yù)應(yīng)力筋處理，不可電弧切割而引發(fā)淬火現(xiàn)象，將多余預(yù)應(yīng)力筋切除處理，要求外露鋼筋低于3cm，隨后進行封錨即可[4]。除此之外，案例體育館坡面屋頂折梁施工采用C40 強度等級的混凝土材料，將錨具封閉埋設(shè)至混凝土結(jié)構(gòu)中后落實養(yǎng)護措施，用于確?；炷两Y(jié)構(gòu)強度達標。根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土折梁結(jié)果特征設(shè)定質(zhì)量檢查點位，對整個預(yù)應(yīng)力混凝土折梁結(jié)構(gòu)強度進行檢測，并組織回彈檢測作業(yè)，最大限度保障混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升坡面屋頂結(jié)構(gòu)整體施工效果。

由上述內(nèi)容可知，坡面屋頂預(yù)應(yīng)力混凝土折梁技術(shù)各工序之間具有環(huán)環(huán)相扣的特點，因此在對技術(shù)工藝質(zhì)量進行管控時，還建立了嚴格的“三檢”制度?！耙粰z”：由該工序施工人員對工序質(zhì)量進行自查自糾；“二檢”：主要負責人員進行抽查，并如實記錄工況質(zhì)量；“三檢”：引入第三方檢測機構(gòu)，提供相應(yīng)的技術(shù)指導，并對工序質(zhì)量進行評定。待工序完成檢測合格以后，方可進入下一工序之中。同時，在施工時嚴格落實了崗位責任制，考核指標與崗前培訓內(nèi)容相輔相成，當出現(xiàn)問題以后加大對問題主體的追責，以便全面把控施工技術(shù)質(zhì)量，減少施工風險的出現(xiàn)[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，案例體育館坡面屋頂施工期間，共設(shè)計了兩種折梁方案，方案1 僅配置普通鋼筋，而方案2 則在配置普通鋼筋基礎(chǔ)上加設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋，由此形成預(yù)應(yīng)力混凝土折梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)綜合對比后選用預(yù)應(yīng)力混凝土折梁結(jié)構(gòu)展開施工。在具體施工期間，從技術(shù)交底、機械核查、安全教育3 個方面做好前期施工準備工作，對關(guān)鍵性材料（混凝土、鋼筋材料）強度進行檢查，安裝與配置預(yù)應(yīng)力鋼筋，展開張拉灌漿施工作業(yè)，落實質(zhì)量控制措施，以此保障坡面屋頂預(yù)應(yīng)力混凝土折梁的施工質(zhì)量。