雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計施工

1、雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工李偉興（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院 上海200092）提要 針對雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中各向預(yù)應(yīng)力筋交叉問題，建議了判別相交的方法，提出有粘結(jié)筋與無粘結(jié)筋混合布筋方案，并對施工工藝和構(gòu)造處理提出了合理建議，可供工程技術(shù)人員參考。關(guān)鍵詞 雙向結(jié)構(gòu), 預(yù)應(yīng)力混凝土, 設(shè)計施工雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)由于預(yù)應(yīng)力構(gòu)件雙向交叉，不同方向的預(yù)應(yīng)力筋（或波紋管）在梁系交叉點處交錯疊放，甚至可能相交，這是設(shè)計與施工中面臨的一個突出問題，設(shè)計人員應(yīng)該在初步設(shè)計階段對此作詳盡的考慮。本文針對此問題進(jìn)行了專門探討。1 判斷是否相交的方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，設(shè)計人員往往注重于結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，

2、而可能忽視施工中存在的一些困難。雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力束通常為雙向曲線束，有時同一根梁中就有多排預(yù)應(yīng)力束，因此不同方向的預(yù)應(yīng)力筋（或波紋管）在梁系交叉點處可能發(fā)生相交的情況，這個問題在設(shè)計階段如果未能詳盡考慮，將導(dǎo)致隨后的預(yù)應(yīng)力施工無法實現(xiàn)。文獻(xiàn)1給出了一種判斷雙向結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋在梁系交叉點處是否相交的實用方法，并根據(jù)這一方法編制了計算程序，在此對其基本思路及計算方法做一簡單介紹。 圖1 雙向結(jié)構(gòu)平面示意 圖2 平面交叉梁系（1）給梁和各預(yù)應(yīng)力索編號（如圖1），編號原則：先從左到右然后再從下到上；確定梁的兩端坐標(biāo)，梁上的索數(shù)及索號，預(yù)應(yīng)力索的類型數(shù)、各類型的定位參數(shù)以及各類型包括的索數(shù)

3、和索號，相交條件參數(shù)等。（2）計算直線梁的方程及總體坐標(biāo)下梁系交叉點的坐標(biāo)（i）兩端坐標(biāo)為的直線梁方程可以表述為： （1）若，否則，；（ii）如圖2所示，不平行的兩直線梁的交點坐標(biāo)為： ， （2）（3）如圖2所示，在各梁的局部坐標(biāo)下x向坐標(biāo)可以通過下面的公式求得： （3） （4）其中，（）為第i號梁端的坐標(biāo)，（）為第j號梁端的坐標(biāo)。（4）由梁上索號推算出索的交點、各向索的索號及計算各梁系交叉點上各索的局部坐標(biāo)yi和yj，并判斷是否真正相交。（i）由已知的xi和xj，計算yi和yj；（ii）根據(jù)下式判斷兩預(yù)應(yīng)力索是否在梁系交叉點處是否相交： （5）其中，為第k個梁系交叉點上兩預(yù)應(yīng)力索的相交判斷條

4、件，如對于波紋管為兩波紋管的半徑之和加上一個工作間隙。如果式（5）成立則相交，否則不相交。（5）在上面給出的雙向井字梁判斷方法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多重循環(huán)即可判斷多向預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力筋在梁系交叉點處是否相交。文獻(xiàn)1給出的線形相交判斷方法，僅是解決了一個預(yù)應(yīng)力筋幾何線形問題，而對于如何調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋線形在以避免其相交的同時獲得最大的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，則是一個非常復(fù)雜的但又值得進(jìn)一步研究的問題。2 有粘結(jié)與無粘結(jié)混合配筋的布筋方案在判斷各方向梁之間的相交情況后，設(shè)計者必須對預(yù)應(yīng)力筋線形和數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行試算。但對于雙向結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格數(shù)較多的情況下，調(diào)整布筋方案有時只能減少相交情況發(fā)生，卻很難保證每個交叉點都不

5、相交。這是因為預(yù)應(yīng)力筋的線形方程隨著某一點的矢高調(diào)整而整體改變，隨之又可能發(fā)生新的相交情況。針對這一突出問題，結(jié)合目前已有的一些研究資料，筆者提出有粘結(jié)與無粘結(jié)混合配筋的方法。我們知道，在部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，有粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)已在地震區(qū)逐步推廣應(yīng)用，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在地震區(qū)主要用于多、高層建筑分散配筋的樓蓋和屋蓋，而對集中配筋的主要承重構(gòu)件（例如框架梁、轉(zhuǎn)換大梁等）采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一般持謹(jǐn)慎的態(tài)度。但是，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有施工方便、工序少、摩擦損失小、端部構(gòu)造簡單等優(yōu)點，很受工程界歡迎。研究表明，采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合配筋的預(yù)應(yīng)力混凝土，其延性及抗震性能介于有粘結(jié)部

6、分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)之間，是良好的，可以滿足地震區(qū)對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的要求2。(a)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束配筋 (b)有粘無粘預(yù)應(yīng)力束混合配筋圖3 不同配筋方案的矢高變化在雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中一般采用有粘結(jié)的結(jié)構(gòu)方案（尤其是在地震區(qū)），有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束由多根預(yù)應(yīng)力筋集中布置于孔道中，因此孔道直徑較大，很容易發(fā)生各向預(yù)應(yīng)力束相交的問題。而無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋是單根獨立成束，即使發(fā)生相交，也容易調(diào)整。所以，當(dāng)雙向有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束發(fā)生相交時，可以將一部分有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束改為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，并在保持預(yù)應(yīng)力束的形心線線形方程不變的條件下，調(diào)整預(yù)應(yīng)力束矢高。圖3(a)所示為原來的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)

7、力束的配筋方案（2束共14根），因與另一方向的預(yù)應(yīng)力束發(fā)生相交，將其中的4根預(yù)應(yīng)力筋改用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋（圖3(b)），從而使有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束的矢高向下調(diào)整了40mm，調(diào)整后的預(yù)應(yīng)力束形心線線形方程仍保持不變。有粘結(jié)筋與無粘結(jié)筋的區(qū)別在于二者的預(yù)應(yīng)力損失和極限應(yīng)力的計算，由于無粘結(jié)筋的摩擦損失一般較有粘結(jié)筋略小，因此用無粘結(jié)筋替代有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束后，在正常使用階段的抗裂要求通常能夠滿足，但是在極限承載力階段還需再次驗算。由于用少量無粘結(jié)筋替換有粘結(jié)筋僅使極限承載力降低很小，而一般情況下預(yù)應(yīng)力構(gòu)件由抗裂及撓度控制配筋，承載力往往有富余，所以承載力驗算一般能夠滿足。同時，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量可以遵循下列

8、原則確定3：（1）有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋（AP1）和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋（AP2）的總量AP = (AP1 + AP2)應(yīng)滿足使用性能和所選擇的預(yù)應(yīng)力度的要求，因為預(yù)應(yīng)力度對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的使用性能和抗震性能有重要影響。（2）豎向荷載和水平地震作用下，梁的承載能力完全由有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋共同承擔(dān)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的作用是和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋一起共同滿足抗裂及撓度驗算的要求。（3）按照我國有關(guān)規(guī)范或規(guī)程，對于有粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力梁，非預(yù)應(yīng)力筋的最低配筋率是0.2%；對于無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力梁，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ/T 92-93）規(guī)定，梁中受拉區(qū)配置的非預(yù)應(yīng)力筋的最小截面面積As取下列兩式計算結(jié)果的較

9、大值： （6） （7）對于采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合配筋的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁，考慮到地震區(qū)梁內(nèi)有粘結(jié)筋是占主要的，同時考慮到適當(dāng)增加非預(yù)應(yīng)力筋的用量對抗震有利，故建議非預(yù)應(yīng)力筋的最小配筋率宜取為0.3%。（4）在滿足截面構(gòu)造要求的前提下，盡量使有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋靠近截面受拉邊緣，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋配置在其內(nèi)側(cè)，如圖3(b)所示。但在支座負(fù)彎矩截面上有粘結(jié)筋將處于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的內(nèi)側(cè)，此時非預(yù)應(yīng)力筋的用量會有所增加。3 雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工特點33.1 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)模板工程圖4 鋼筋籠的整體提升綁扎施工通常，后張預(yù)應(yīng)力梁的模板和支撐應(yīng)能滿足最不利施工荷載作用下的強度和剛度要求，同時

10、需防止支撐底部地基的不均勻沉陷。為克服張拉階段反拱過大的問題，宜采用“先次梁，后框架梁”的張拉順序，以控制預(yù)應(yīng)力框架梁的反拱值?？紤]到該張拉順序?qū)⑹沟闷桨搴痛瘟荷系暮奢d全部傳遞到框架梁，而框架梁在張拉前完全依賴梁底支撐受力，因此應(yīng)通過仔細(xì)驗算，對預(yù)應(yīng)力框架梁梁底支撐可采用加密方法進(jìn)行加強。3.2 預(yù)應(yīng)力筋的定位和穿束目前土建施工單位多采用“鋼筋籠整體提升綁扎再沉放”的工藝，即模板工程全部完成后，鋼筋工進(jìn)場先在樓板底模上架立門式鋼管支架，然后通過門式鋼管支架將鋼筋籠抬立于樓面以上進(jìn)行綁扎，最后當(dāng)鋼筋籠全部綁扎結(jié)束且預(yù)應(yīng)力筋穿束完成后，擰松門式鋼管支架的連接扣件，將鋼筋籠整體沉放入模板槽中，見圖4

11、。圖5 雙向波紋管的交錯鋪放雙向預(yù)應(yīng)力混凝土框架的預(yù)應(yīng)力施工主要需解決預(yù)應(yīng)力束的交錯鋪放，見圖5。由于需要將幾十米長的鋼絞線連同波紋管按設(shè)計的曲線線形逐根安裝就位，而且是雙向交錯疊放，施工難度較大。建議采用坐標(biāo)分析法進(jìn)行平鋪并架設(shè)定位支架：首先在結(jié)構(gòu)平面圖上標(biāo)明所有預(yù)應(yīng)力束交叉點處各排預(yù)應(yīng)力束的坐標(biāo)，根據(jù)該坐標(biāo)判斷交叉點處預(yù)應(yīng)力束的上排、下排位置，并找出在各交叉點處（或在大多數(shù)交叉點處）均處于最下一排的預(yù)應(yīng)力束作為第一批鋪放的束，剔除第一批鋪放束后，再按同樣的方法依次找出下一批鋪放的預(yù)應(yīng)力束。該方法可以較直觀地解決預(yù)應(yīng)力束的鋪放順序問題，避免雙向預(yù)應(yīng)力束的交錯“編織”。為節(jié)約工期，波紋管的鋪放

12、、預(yù)應(yīng)力筋的穿束工序與普通鋼筋綁扎可以交叉進(jìn)行作業(yè)，實踐表明，通過預(yù)應(yīng)力公司與土建施工單位的密切配合，完全可以實現(xiàn)普通鋼筋綁扎與預(yù)應(yīng)力筋穿束的同步完成。但是，端部喇叭管的定位和固定工序因為受到“整體沉放”工藝特點的限制，必須待鋼筋籠就位后才能進(jìn)行操作，這需要占用一定的獨立工期。保證波紋管順利從柱縱筋之間穿出也是一個技術(shù)關(guān)鍵。在柱筋綁扎前，預(yù)應(yīng)力公司需要先對柱配筋圖進(jìn)行詳細(xì)的放樣，適當(dāng)調(diào)整柱縱筋的凈距；同時，通過技術(shù)交底要求梁柱節(jié)點的箍筋和梁中部的“S”形拉結(jié)筋必須在波紋管穿完后再進(jìn)行綁扎，并要求鋼筋工保證沉放前鋼筋籠的平整度（防止鋼筋籠變位過大給穿管造成困難）。這些措施可有效保證波紋管的定位和

13、鋪設(shè)。鋼筋籠在沉放前，必須對已鋪設(shè)好的波紋管詳細(xì)進(jìn)行檢查，尤其需加強梁柱節(jié)點處的檢查，發(fā)現(xiàn)局部破損及時進(jìn)行修補。沉放過程中派專人密切觀察鋼筋密集處的波紋管情況。3.3 混凝土澆筑工序按照預(yù)應(yīng)力工程的有關(guān)操作規(guī)程，澆筑混凝土?xí)r振搗棒不能直接擠碰波紋管，以防損壞波紋管而引起漏漿，堵塞孔道，而在預(yù)應(yīng)力張拉端、錨固端、梁柱節(jié)點等關(guān)鍵部位，宜用小直徑的振搗棒或振搗片仔細(xì)振搗密實。施工過程中，為防止波紋管局部漏漿影響以后的張拉作業(yè)，建議采取如下的措施：（1）在混凝土初凝前派專人定時對預(yù)應(yīng)力筋來回拉動。對于總長度超過50m的預(yù)應(yīng)力梁，宜采用鐵鏈葫蘆進(jìn)行拉動。拉動的時間不能過早，一般在混凝土澆筑后34小時后進(jìn)

14、行，否則可能會擾動新澆混凝土；（2）增設(shè)泌水管。每隔13米左右設(shè)置一根泌水管，這有利于孔道堵塞情況的檢查，并能保證灌漿過程的通暢。即使張拉時發(fā)現(xiàn)漏漿堵孔情況，也可采用往泌水管注水的檢查方法，盡快確定出孔道的堵塞區(qū)段，盡快提出處理辦法。3.4 預(yù)應(yīng)力筋的張拉預(yù)應(yīng)力井式梁框架結(jié)構(gòu)一般采用逐層澆筑，逐層張拉的施工工藝。預(yù)應(yīng)力筋的張拉作業(yè)需待混凝土強度至少達(dá)到設(shè)計強度的75%后進(jìn)行，并以現(xiàn)場同等養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土強度報告為依據(jù)。預(yù)應(yīng)力筋張拉施工采用雙控，即伸長值和張拉力控制。實際工程中常采用超張拉工藝抵消部分預(yù)應(yīng)力筋的松弛損失，當(dāng)預(yù)應(yīng)力超長情況下，兩端的張拉操作人員需通過對講機(jī)隨時保持聯(lián)系。當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋

15、較長時，其伸長值將大于千斤頂行程，此時可采用分級張拉累計伸長值的辦法。張拉以張拉力為主要控制指標(biāo)，伸長值作為校核指標(biāo)，實際伸長值與計算伸長值之間的偏差應(yīng)在-6+6%的范圍內(nèi)，如張拉過程中張拉伸長值超過該偏差范圍應(yīng)立即停止操作，查明原因，待采取措施并排除故障后才能繼續(xù)張拉。3.5 施工構(gòu)造措施預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的錨固區(qū)一般設(shè)置于邊節(jié)點處，在該節(jié)點處鋼筋交錯密集，因此預(yù)應(yīng)力波紋管的穿管難度很大，也容易造成混凝土不密實。實際根據(jù)設(shè)計計算，預(yù)應(yīng)力框架邊節(jié)點的負(fù)彎矩的配筋量往往有富余，因此，邊節(jié)點區(qū)的鋼筋構(gòu)造做法從理論上說可以簡便一些4。施工中的做法通常有：（1）在中間樓層的邊節(jié)點區(qū)，預(yù)應(yīng)力梁的頂筋向上彎折錨固，底筋向下彎折錨固；（2）在頂層的邊節(jié)點區(qū)，預(yù)應(yīng)力梁的頂筋提前200mm向下彎折錨固，底筋向下彎折錨固；（3）如果施工先穿波紋管，后沉放鋼筋籠，則頂層柱縱筋的水平錨固段不能按常規(guī)彎折進(jìn)行下料，而必須在鋼筋籠沉放就位后再彎折錨固。4 結(jié)束語 雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，各向預(yù)應(yīng)力筋（或波紋管）在梁系交叉點處的相交問題設(shè)計與施工中的突出問題。本文針對該問題進(jìn)行了深入探討：建議了判別預(yù)應(yīng)力筋相交的方法，提出有粘結(jié)筋與無粘結(jié)筋混合布筋方案以調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力筋的失高，并對