大面积大柱网双向无粘结预应力混凝土框架体系的设计与施工

大面积大柱网双向无粘结预应力混凝土框架体系的设计与施工珠海市拱北口岸是我国大陆通往澳门的国家一级口岸，也是全国第二大口岸。新建口岸工程总平面布置见图4-9-1。该工程核心建筑—联检大楼是一座大型民族形式的多层建筑，面积约4万平方米。底层专供进出关人员候检、查验、通关使用，其余各层供联检职能机构及与之配套服务的部门使用。由图4-9-2可看出，该建筑平面很大，为186m×100m，○5~○14轴为主体部分，长142m。柱网尺寸为18m×18m。纵向7跨，横向5跨。除○M~○W轴间的○7~○9轴及○11~○13轴为一层外，其余均为3层。屋顶为民族形式的大屋盖，其四周为水平投影宽26m的孤形，其中包括周边悬挑4.8m。从建筑造型及使用功能考虑结构不设伸缩缝。该结构平面尺寸大大超过了规范允许的不设缝的最大限制长度，同时要求结构尽量压缩梁高，降低层高，以达到减少空间体积，节省长期使用能耗的目的。根据上述要求，对多种方案比较后，选定无粘结预应力大面积大柱网连续多跨(7×18m)×(5×18m)双向框架承重结构体系，楼面为3m×3m网格的井字梁楼盖。这是目前国内运用该项新技术楼层面积最大、连续跨数最多的双向无粘结预应力框架结构工程。虽然无粘结预应力框架已在国内成功应用，但象该工程这样大面积大柱网的情况尚无先例。诸如计算理论的可靠性、摩擦损失的取值、特长预应力束施工、柱刚度对梁中预应力建立的影响等都是值得研究和探讨的难题。为使该工程结构设计具有可靠的理论依据，也为今后推广该项新技术积累经验，决定结合该工程进行1︰5实物结构模拟试验和现场实际工程测试，并开展结构设计和施工工艺等系统研究。从目前取得的数据分析证明，该项新技术可靠、合理，并具有显著的经济效益和社会效益。第1章结构设计该结构体系设计计算的前提条件是对框架施加预应力，在活荷载大的○9~○10轴线，要求平衡静载和80%的活载；对其余荷载较小的轴线，梁上施加的预应力仅平衡静载产生的拉弯应力。经试算，柱截面选用800mm×800mm。梁高在荷载特大的部分选用高跨比为1/12，一般荷载情况下选用1/15，即多数大梁截面尺寸为400mm×1200mm，该工程既是双向预应力混凝土框架结构，又是井式梁板结构，其中主框架内井式梁板为普通钢筋混凝土结构，板厚l00mm，内部井式梁截面为300mm×1000mm，混凝土C35。无粘结预应力筋选用低松弛钢绞线UΦj=l2.7，ƒptk=1770N/mm2，Ep=2×l05N/mm2。考虑到连续多跨特长束的预应力损失大，采用超张拉回松技术，取σcon=0.75ƒptk张拉端采用OVM12.7—1锚具，锚固时预应力筋内缩值取8mm。无粘结钢绞线强度设计值取ƒpy=1206N/mm2×0.9=1085N/mm2。摩擦损失系数取μ=0.12，K=0.003。各跨按二次抛物线布放预应力筋，其反弯点取在距柱中心0.15l(l为梁跨长)处。将上述条件及各榀框架的荷载数据输入计算机进行计算，根据计算结果及1︰5实物结构模型的试验数据进行分析后完成框架设计。其典型的两榻框架梁预应力筋布置见图4-9-3。设计要求在二层楼面施工时，必须进行每向不少于2榀框架的实际张拉测试，并根据实测数据，调整和修改预应力张拉力或配筋根数，方可进入下一步施工。预应力束的端部锚固节点大样见图4-9-4(a)，固定端内埋式锚头—挤压锚具，布置见图4-9-4(b)。大面积楼面结构不设伸缩缝，除在框架体系梁施加预应力外，还采取在适当位置增设抵抗温度伸缩和混凝土收缩的预应力筋的办法。如在⑨~⑩轴间的井字次梁配置预应力筋，这是因为该部分楼面荷载大，并考虑到可弥补中间部分楼面大梁的预应力损失。在屋面上，增设封闭梁的预应力筋，以增强屋顶整体抵抗温度伸缩的能力。另外，从图4-9-2可看出，对四角和边跨，设置混凝土筒或剪力墙以增强整体刚度和抵抗温度应力的能力。从目前情况看，达到了预定的设计要求。对预应力筋除满足规定的质量要求外，在布束上要求特长束无接头，以免由于接头的可靠性差，造成不可弥补的损失。第2章分段流水施工在大面积大柱网双向元粘结预应力框架和井式梁板结构施工中有不少难题，其一是大面积多层框架施工中如何分段流水的问题。由于工艺布置及建筑要求，该工程142m×100m楼面内不设伸缩缝。为防止施加预应力前在混凝土浇筑硬化过程中出现收缩裂缝，主要采取划分施工段的办法。划分施工段既要考虑混凝土的浇筑能力，又要考虑结构布筋的特点及楼面施工和上下层施工流水的要求。每层楼面沿纵向划分3个施工区段，见图4-9-5。施工区段的界线分别在⑨轴线西与⑩轴东各7.5m处，⑨、⑩轴线间各纵向梁的加强束即在该处张拉锚固。在混凝土配料中加入水泥用量l5%的U型膨胀剂，以抵抗混凝土收缩变形。在3个施工区段内，先施工第Ⅰ区段，伸入Ⅱ、Ⅲ区段的纵向通长无粘结筋应事先伸出，盘放在脚手架上卢在Ⅰ区段内，先张拉纵向短束，再张拉横向通长束与短束，纵向通长束需待Ⅱ、Ⅲ区段混凝土浇筑后方可张拉。在第Ⅱ施工区段内，仅张拉横向通长束与短束。在第Ⅲ施工区段内，宜先张拉纵向通长束，再张拉横向通长束与短束。为取消施工中的二次支撑，在第三层楼面的混凝土施工中，除第Ⅰ区段内因设计活载取值较大满足施工荷载要求外，对Ⅱ、Ⅲ区段，采取梁板分开浇筑的办法：先浇筑框架梁及各井字梁，待梁混凝土强度达到50%再浇筑板。为减少预应力张拉时受周围结构的约束，采取了以下措施：凡沿预应力筋张拉方向的剪力墙，在预应力筋张拉后再浇筑；楼梯间筒体刚度大，也在预应力筋张拉后再浇筑；对多跨连续梁由预应力梁及非预应力梁组成的情况，则在预应力梁浇筑并张拉后，再浇筑非预应力梁。此时，普通钢筋应事先伸出梁端。第3章特长预应力束施工第1节特长束的下料工艺特长束的下料长度可按常规方法进行计算。如果严格控制下料尺寸，则不需额外加长下料。对于90~130m长的无粘结筋，在现场选择70m长的平整场地，采用弯曲定长下料，见图4-9-6。一定要在预应力筋的正中间做好标记，因为本工程纵向束是由中间第Ⅰ区段向两边Ⅱ、Ⅲ区段延伸，若中点不准，则定长预应力筋会在Ⅱ、Ⅲ区段内出现一端过长另端过短的情况而无法张拉。下料后每根筋卷成直径1.5m的盘，并在其两端作出同颜色标记，以便在张拉时识别。第2节特长束的铺设固定双向特长束的铺设是影响预应力施工质量、人力与速度的关键之一，因此必须作好以下准备：1.首先绘制出各节点无粘结筋穿插详图，定出各种梁无粘结筋的实际坐标及配套的固定支架尺寸。2.无粘结筋应逐根检查、编号。内埋式固定端处，应事先在现场采用挤压机将钢套简挤压在钢绞线筋上，以形成挤压头。4.无粘结筋固定支架的典型作法见图4-9-7。按元粘结筋曲线坐标焊在箍筋上，间距0.6~1m。具体铺设时，应遵循以下原则：1.大梁底模铺好后先放置纵横向梁底非预应力钢筋，扎好柱头箍筋，然后放入预应力筋。预应力筋放入后再设架立筋、负弯矩钢筋和箍筋，预应力筋固定后放置拉结筋。2.无粘结纵向通长束在下，横向通长束在上。低位的无粘结筋先铺设。3.无粘结筋在梁内按6根成柬捆扎在一起，在梁端分散布置，单根张拉锚固。4.在第Ⅰ区段内严格按中点标志放置预应力筋，伸入Ⅱ、Ⅲ区段的预应力筋先成卷放在脚手架上。5.为便于钢筋与无粘结筋铺设，梁的两侧模板均暂不安装，无粘结筋的标高划在箍筋上。无粘结筋控制点的安装误差2矢高方向±5mm，水平方向±10mm。第3节特长束的张拉管理特长束采取单根两端同步张拉，每根伊12.7张拉力为13.3kN。预应力筋张拉前，应重新确认各筋在两端的正确位置。如有异议，可用万用表对无粘结筋进行辨别。为防止在张拉时出现错位而影响张拉伸长值的统计计算，可先在两端均安装好夹片锚具，在一端先张拉，另一端拉动后装上千斤顶再补拉。具体操作如下：A端由0→0.2σcon(注意固定端B是否拉动，如被拉动，记录下A端的油压表读数，量测初始伸长值)→0.6σcon(量测伸长)→1.0σcon(量伸长，A端锚固)，再在B端补拉至张拉力后锚固。孔道摩擦损失值测定特长多波曲线束孔道摩擦损失的测定，对调整张拉力并准确建立预应力及进行伸长值校核都至关重要。本工程在二层楼面纵横向大梁进行了全长二分之一同条件埋设的预应力束摩擦损失试验共4束，同时，对实际结构进行22根特长束的摩擦损失试验。试验时，先在两端装好铺具，在一端先张拉，当固定端拉动后暂停张拉，在固定端装上千斤顶，稍稍张拉以保证工作锚夹片不受力，并关死油门，然后在张拉端张拉到控制应力，观察固定端油压表读数，即可求出该特长束的摩擦损失值。该工程二层楼面22根特长纵向束的实测K=0.003，μ=0.0279~0.0794，三层楼面6根特长横向束的实测K=0.003，μ=0.1l~0.193。2.张拉伸长值管理该工程二层楼面大梁几百根特长束的张拉伸长值的统计表明，若按常规计算，均超过规范规定的理论伸长值+l0%的上限，其实这是错误地将0.2σcon以下的推算伸长值全部考虑进去的缘故。事实上，在特长束的情况下，规范建议的常规推算值已不再适用。以二层楼面X轴为例，该梁18根通长束共进行13根孔道摩擦损失试验，实测K=0.003，μ=0.0545，一端张拉时固定端应力为0.457σcon固定端拉动时张拉端的平均拉力为0.32σcon。由于张拉力不同，摩擦系数也会变化。为更好地反映0.2σcon以下的真实应力变化，取固定端拉动时的应力线作为0.2σcon的平行线，则0.2σcon以下的推算伸长值△L2仅为图4-9-8中阴影部分的伸长。由图4-9-8可知：2σcon∕x=0.32σcon∕Lx=0.625LL2=LEdxconx625.022.00=0.625ELcon由上述计算可知，在一端张拉时0.2σcon以下的推算值仅为全部伸长值的6.25%，而非通常的20%。若将6.25%作为实测的推算值，则所有实测伸长值均满足规范要求。