中央电视塔塔身竖向预应力混凝土结构施工

中央电视塔塔身竖向预应力混凝土结构施工第1章工程概况中央电视发射塔是国内首例采用预应力混凝土结构塔身的高耸结构。塔体地面以上高度为405m，施工高度为420m(图4-4-1)，竖向预应力结构包括塔身和两节混凝土桅杆。该塔的抗震设防烈度要求达到9度。塔身和桅杆均采用部分预应力混凝土结构，以保证塔身在正常使用状态下具有良好的刚度。在设防烈度地震作用下，使全塔处于弹性状态;在遭遇到高于设防烈度的强震后，仍有较好的延性与变形恢复能力。塔身及桅杆竖向预应力筋布置如图4-4-2所示。图中第①部分为16-7Φj15，第②部分为24-7Φj15，第③部分为64-7Φj15，第④部分为20-7Φj15。塔身由外筒和内筒组成。外筒截面为环形，其外径自下而上由39.34m变至12.00m。塔身竖向预应力筋包括由－14.3m至+1l2.0m和+257.5m沿筒体布置的两段，分别为20束和64束7Φj15钢绞线束。塔身和桅杆混凝土强度等级为C40，截面上有效预压应力值为1~1.5MPa。塔身竖向预应力施工是该塔预应力施工难度最大的部分。竖向预应力束最长达271.8m，国内尚无施工先例可借鉴。为顺利完成该塔竖向预应力施工，采取了技术论证、试验研究和探索型施工试验直至工程应用逐步深入进行的技术路线。针对竖向预应力施工的特殊性，提出如下施工难点和需解决的关键技术：竖向预应力预埋管材料的选择及铺设工艺。竖向预应力超长束的穿束关键技术的研究。所采用的穿束工艺应具有施工简便、实用性强和效率高等特点。竖向预应力张锚工艺研究及张拉辅助设备研制。竖向孔道摩阻损失测定方法研究。竖向孔道灌浆的浆体性能试验及足尺灌浆试验。第2章竖向预应力管道铺设中央电视塔塔体竖向孔道最长达27l.8m，预应力管道的铺设和塔体滑框倒模施工同步进行。竖向孔道从底部－14.3m开始，直至+257.5m铺设完毕，整个施工周期较长。管道的铺设工艺受塔身钢筋混凝土施工的各个工序影响，避免竖向孔道堵塞和过大的垂直偏差，是研究管道铺设工艺应解决的两个关键问题。由于塔身竖向孔道的铺设随塔体滑框倒模施工逐节向上完成，塔身外筒环形截面的外径逐渐变化，且塔楼部位的水平与竖向结构交叉及各种孔洞较多，因此管道铺设施工中的不可预见因素较多。此外，塔身混凝土浇筑采用了振捣成型工艺，冲击作用对孔道管可能造成损坏。为保证竖向孔道材质本身的可靠性，确定采用镀锌钢管作为竖向孔道材料(内径68mm)，其连接采用套扣和套管焊接工艺。尽管镀锌钢管的成本高于波纹管，但用作竖向长孔道具有特殊的优越性:孔道管辅设具有很高的可靠性，施工过程中不会锈蚀。塔体混凝土浇筑时，可避免发生振捣冲击而损坏孔道管的现象。孔道垂直灌浆过程中，钢管可承受较高的压力。刚度大，水密性好，易于加工成型和连接。塔身滑框倒模施工中，孔道铺设采用定位支架，以保证其位置准确。随着塔体的逐步升高，采取了定期检查并通孔的措施，每根孔道管的上口均加盖，以防异物掉入堵塞孔道。实践证明，采用刚性管作孔道材料、合理的铺设工艺和严格的管理措施，竖向预应力孔道基本无堵塞。第3章竖向预应力穿束工艺研究与应用竖向预应力穿束方法包括“自上而下”和“自下而上”两种工艺，每种工艺又可采用一次一根穿入或成束穿入的方法，在实际工程应用中可形成多种灵活的穿束方法。加拿大多伦多CN塔的竖向预应力穿束施工采用了自上而下一次一根穿入的工艺，并获得了成功。中央电视塔竖向预应力束均由7Φj15钢绞线组成，孔道内径均为68mm，锚固单元单一。为确定最佳穿束工艺，对CN塔和中央电视塔竖向预应力情况进行了对比分析:1.锚固单元分析:该塔的锚固单元均由7Φj15钢绞线组成，每束预应力筋的自重较小;CN塔的锚固单元由16~31Φj12.7钢绞线组成，根数多，每束预应力筋自重较大。2.预应力钢材的物理性能:CN塔采用270K低松弛钢绞线，开盘后完全伸直，可满足自上而下穿束工艺的要求。该塔采用普通级钢绞线，开盘后不能完全伸直，如采用自上而下的穿束工艺，钢绞线在穿束时易卡在孔道内。3.穿束设备及技术经济效益:自上而下穿束工艺需使用特别的放线轮，一次一根穿入钢绞线，放线轮体积较大，由人工使用手闸控制下落速度，且穿束作业时滑模施工须中断;而采用自下而上的穿束工艺，仅需1台牵引机械便可一次穿入多根钢绞线，牵引机械体积小，成本低，而且穿束施工可与主体结构施工同步进行。根据上述对比分析，该塔预应力穿束采用自下而上成束穿A工艺的技术经济效益更显著。穿束工艺流程如图4-4-3所示。图4-4-3竖向预应力穿束工艺流程图按照工艺流程图，需解决下述技术问题:设计提升机构:布置放线系统;研制特殊的起重机械;设计与加工钢丝绳和钢绞线的连接器;设计临时卡具等。此外，这种施工工艺的应用还需建立可靠的实施程序。该塔第一段竖向预应力(－14.3m至+112.0m)穿束作为工艺探索性施工，通过施工掌握了一些规律和经验，即穿束应先快后慢，平均速度为4~6m/min，提升过程中钢绞线与孔道的摩阻力为自重的2~3倍。这种工艺也可采用慢速卷扬机作为提升机械，但须根据试验合理选择各项参数。塔身通长束(长271.8m)的穿束是竖向预应力施工难度最大的部分，通长束共64束，每束自重为2.1t。根据第一段穿束的经验，通长束孔道摩阻力取自重的2.5倍，提升系统的安全系数取4，系统的设计荷载为231kN，提升系统的各个环节设计均以此为依据。选择慢速卷扬机作为提升机械，提升速度4.5m/min，额定起重量5t(极限起重量8t)，容绳量350m。卷扬机作为提升机械，不能直接反映出孔道内阻力的突变点，原设计安装限载器，限制提升力不超过50kN。实际工程穿束时，测定了孔道摩阻力变化(图4-4-4)。由图4-4-4可知孔道摩阻力变化幅度较大，因此确定采用卷扬机自身限载方法，以卷扬机的极限负荷为限载值。通长64束钢绞线穿束施工证明，这种方法安全可行。第4章竖向预应力筋张拉及摩阻损失测定塔身和桅杆竖向预应力张锚体系均采用B&S预应力体系Z15-7群锚，预应力钢材采用抗拉强度为1470MPa的普通级钢绞线。竖向预应力筋张拉具有一定的特殊性，且受多种因素的影响，如预应力束最长达271.8m，伸长值较大，需进行反复张锚;预应力束的上下端锚固区均有曲线段〈图4-4-5)，影响张拉效果;采用钢管做孔道材料，对孔道摩阻损失的影响尚未确定等。在张拉作业前，对所采用的锚固体系进行了全面试验，特别是反复张锚工艺试验，证明该锚固体系完全符合张锚工艺要求。塔体预应力筋张拉作业均在地下室内进行，尽管下锚固端的孔道曲线对张拉有一定影响，考虑到在地下室内张拉效率较高，主拉端仍定于下锚固端。竖向预应力束张拉作业时，YCD-120型千斤顶的安装就位和操作过程均沿垂直方向进行。为方便张拉作业，研制了提升千斤顶的升降车，其主体支架可调整垂直偏转角，并具有手摇提升机构。张拉时，千斤顶与提升车支架挂钩脱开，直至完成一个张拉行程。塔体及桅杆预应力筋的张拉控制应力σcon为1050MPa，每束张拉力N为1015kN。采取超张拉措施时其张拉程序为:0→1.05σcon→持荷3min→采用限位方式自锚或顶压锚固。竖向预应力束绕外筒采用径向对称张拉措施，以保证塔体均匀受力。表4-4-1为塔身和桅杆竖向预应力筋的一端张拉伸长值。表4-4-1中数据说明竖向预应力筋伸长值均匀，符合设计要求。塔身截面上有效预压应力值的建立与竖向预应力摩阻损失值有直接关系。为准确测定摩阻损失，采取了油压传感器进行测试。测定预应力摩阻损失时，以竖向孔道的下锚固端作主动端，上锚固端作被动端。被动端安装千斤顶，其配套油泵上安装油压传感器以测定预应力损失值。竖向预应力筋的曲率摩阻系数参照环向预应力实测值取μ为0.2，然后根据竖向孔道实测摩阻损失值推算竖向孔道的刮碰系数Κ。表4-4-2为第一段竖向预应力(－l4.3m至+112.0m)张拉时测得的摩阻损失数据。根据摩阻损失计算公式，当Kl+μθ小于0.2时，采用T2=T1[1一(Kl+μθ)]计算，其中T1为主动端拉力，T2为被动端油压传感器数值。由表4-4-2数据推测互为0.0004~0.0006。数据表明管道材料的选用是合理的，管道铺设质量符合预应力结构要求。第5章竖向孔道灌浆竖向孔道灌浆主要依据规范进行了足尺现场灌浆试验。竖向孔道灌浆孔沿混凝土筒体每隔20m设置一对，两孔间距为80cm，模拟实际情况做了30~40m高的竖向孔道足尺灌浆试验，孔道内均穿入7Φj15钢绞线束。竖向孔道足尺灌浆试验的目的是:掌握竖向灌浆工艺;观察孔道内浆体泌水及沉降情况;解决逐段灌浆时双孔间“憋气”问题;确定顶端和底端锚具处孔隙的填充方法。竖向孔道内浆体，由于泌水和垂直压力作用，水分汇集于顶端而产生孔隙，特别是在顶端锚具下，泌水产生的孔隙易使预应力筋锈蚀。因此顶端锚具和底端锚具区域必须采取可靠的处理措施，以保证灌浆密实。足尺灌浆试验时，由于底端锚具夹片间缝隙较大，浆体极易由夹片间渗出，因此需预先封堵。实际工程灌浆时，由于预应力筋已张拉完毕，夹片间几乎无浆体渗出，只有泌水通过钢绞线本身缝隙不断排出，直至泌水结束。灌浆结束待浆体硬化后，卸掉底端锚具，可发现底部锚具上部区域的浆体基本密实。为观察顶端错具下部浆体的泌水和沉降情况，在顶端锚具的承压板上安装有机玻璃立管，进行了以下4种情况的试验:1.竖向孔道灌浆至顶端锚具后，使浆体液面自由下沉，30min后，要观察到浆体液面下沉2~3cm，表面有泌水约5mm;24h后液面下沉约5cm，浆体顶面有一段薄弱层。2.灌浆工艺同上，但采取“二次灌浆工艺，浆体液面下沉仅1~2cm，浆体密实度增加。3.采用在铺具承压板上伸出竖向泌水管的方法，以保证立管内浆体表面高于锚具底端，使泌水发生在立管内浆体表面，则孔道内顶端锚具下部浆体基本密实。4.采用二次灌浆工艺，并在浆体泌水结束前，使用手压灌浆泵由顶部灌浆孔反复补灌浆体，直至泌水全部排出，结果表明顶锚下部浆体密实。塔身和桅杆竖向孔道灌浆施工时，一般采用第四种工艺。灌浆结束后，所有锚具均及时浇筑于混凝土内。如不能及时封堵，可采用防护罩临时封闭，最终浇筑于混凝土内，以保证锚具不锈蚀。第6章结语1.中央电视塔预应力混凝土结构施工技术，包括预应力孔道管的铺设、穿束、张拉和灌浆等工序，经过了技术论证、试验研究、工艺探索及工程实践，已形成了较完善的成套技术。2.塔身及桅杆竖向预应力孔道管采用镀锌钢管，具有较高的可靠性。采用行之有效的自下而上机械牵引穿束新工艺，通过塔身271.8m通长束的施工，证明其简便易行，施工效率较高。竖向预应力束的张拉工艺合理，锚固体系的反复张锚性能可靠。施土实测预应力筋伸长值和据以确定的管道摩阻损失值符合设计要求。竖向孔道采用分段逐层灌浆工艺，设计合理，有效地提高了灌浆质量和工作效率。上述各项技术的采用保证了该塔竖向预应力混凝土结构施工顺利进行。3.该塔预应力混凝土结构施工采取了严格的质量管理和检测手段，保证施工质量达到较高水准。在工程中建立的成套预应力施工技术具有显著的经济效益。中央电视正体结构(包括全部预应力结构)已于1991年7月竣工。