基于施工力學的大跨度預應力混凝土框架結構張拉變形研究

熊華兵，王虎祥，田佳岐

（1.中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，西安 710054；2.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021）

緩粘結預應力混凝土空心樓蓋綜合了緩粘結預應力混凝土技術和現澆混凝土空心樓蓋技術的新型現澆混凝土樓蓋結構。緩粘結預應力技術的應用，將有效提高結構的承載力，控制結構撓度和裂縫，增大結構使用空間[1-2]。

針對無粘結預應力混凝土技術和有粘結預應力混凝土技術在工程應用中存在的不足，緩粘結預應力混凝土技術應運而生，該技術在綜合2 種技術優點的同時，極大地避免了二者不足，所以非常適合用于預應力混凝土樓板。對于未采用預應力技術的普通混凝土實心板，其最大跨度一般不超過8 m，而未采用預應力技術的普通混凝土空心板跨度約為15 m；但在采用緩粘結預應力混凝土技術后，現澆混凝土空心板跨度可大幅提升至25 m，且板底平整美觀，可滿足商場、展廳和辦公樓等大跨度、大空間的公共建筑。

現澆混凝土空心樓蓋結構自20 世紀60 年代問世以來，在世界范圍內得到廣泛應用，我國頒布了相應的技術規程[3-4]。針對工程應用中遇到的新問題，國內外學者通過系統研究完善了空心樓板技術體系。蔣慶等[5]在參照不同規范的基礎上，采用擬梁法對比分析了帶拼縫的全預制混凝土空心樓板的簡化分析方法。劉航等[6]針對無筋磚砌體結構抗震性能差的問題，提出了采用外加預應力斜拉桿對磚墻進行抗震加固的新方法。林樹潮等[7]采用動力時程分析方法研究了考慮預應力作用對核電站安全殼地震響應的影響。合理的施工方案不僅能夠提高施工質量和效率，還有利于實現“實現四節一環?！?。

對此，本文基于施工力學原理，采用數值模擬方法分析了不同施工方案條件下緩粘結預應力空心樓板結構變形特征，對比分析了“整體澆筑、逆向張拉”和“整體澆筑、順向張拉”對結構響應的影響規律。

1 大跨度預應力混凝土結構張拉施工方案

施工工藝對結構響應有著直接影響，合理的施工方案不僅能確保施工安全，還可以提高效率、縮短工期、節約成本。預應力混凝土施工更是如此，確定混凝土澆筑和預應力筋張拉的先后順序至關重要。根據混凝土澆筑與預應力張拉順序的不同，可以將預應力混凝土結構施工分為“逐層澆筑、逐層張拉”“數層澆筑、順向張拉”“數層澆筑、逆向張拉”3 種方案。

1.1 “數層澆筑、順向張拉”

現澆預應力混凝土多層建筑結構施工時，在完成若干樓層混凝土的澆筑和養護后，再按照自下而上的“順向”張拉順序對預應力筋進行逐層張拉，這種施工順序稱為“數層澆筑、順向張拉”，圖1 為該施工方法示意圖。

圖1 “數層澆筑、順向張拉”施工方法示意圖

采用這種施工方案時，結構混凝土澆筑和養護可按照普通鋼筋混凝土結構逐層連續施工；預應力筋張拉則可穿插進行，以節約工期。但這種順序，由于下層支撐需要承受其上樓層的施工荷載而無法及時拆除，造成占用較多的支撐和模板。此外，由于下層預應力筋張拉會產生向上的反拱效應，進而對其上樓層產生不利影響，因此，采用該施工方案時需要確保上部各樓層混凝強度滿足施工要求。

1.2 “數層澆筑、逆向張拉”

現澆應力混凝土多層建筑結構施工時，完成樓層混凝土澆筑與養護后，再按照自上而下的“逆向”張拉順序對各樓層中的預應力筋進行逐層張拉，這種施工順序稱為“數層澆筑、逆向張拉”，圖2 為該施工方法示意圖。

圖2 “數層澆筑、逆向張拉”施工方法示意圖

采用該施工方案時，可按普通現澆混凝土結構從底到頂完成混凝土澆筑，然后再從上層開始逐層向下張拉預應力筋，從而有效提高預應力筋施工效率，減少預應力張拉施工進場次數。

2 預應力混凝土張拉施工方案對比分析

2.1 有限元模型建立

利用SAP2000 有限元分析軟件，建立某多層大跨度預應力混凝土空心板結構模型，分別模擬2 種施工方案下逐層張拉預應力的情景。項目結構形式為框架結構，1 樓層高為5.6 m，2 樓層高為5.1 m，3~5 樓層高均為4.2 m，其中，2 樓預應力混凝土空心樓板部分樓層平面圖如3（a）所示。梁、柱混凝土等級均為C40，箍筋和縱筋均采用HRB400。預應力鋼筋采用1 860 Mpa，直徑21.8 mm 的高強低松弛緩粘結鋼絞線，設計張拉控制應力為1 395 Mpa；預應力筋線形均為拋物線布置。預應力筋張拉方式為一端張拉，預應力筋張拉端設在框梁外側或框梁外側板面。建模過程中，在定義預應力荷載時，不考慮預應力損失，最終建立此項目預應力空心樓板部分結構有限元模型如圖3（b）所示。

圖3 模型平面布置與三維效果圖

2.2 模擬結果分析

2.2.1 結構內力分析

為了探究“整體澆筑、順向張拉”“整體澆筑、逆向張拉”2 種預應力施工方案對框架梁彎矩的影響，分別選取東西方向3#軸框架作為研究對象。在階段施工工況運行分析完成后，不同施工方案下所對應框架梁的彎矩圖如4 和圖5 所示。分析比較圖4 的彎矩圖可發現，在“整體澆筑、逆向張拉”施工方案下，分別就第5層和第4 層框架梁進行預應力張拉，都只會對相鄰樓層框架梁的彎矩產生影響。由于第3 層為結構收進突變層，張拉過程中產生的內力需要由其下部框架分擔和平衡，因此，第3 層預應力張拉同時對第2 層和第1層框架彎矩產生影響。

圖4 逆向張拉過程3#框架彎矩圖

圖5 順向張拉過程3#框架彎矩圖

對比圖5 的框架彎矩圖可知，采用“整體澆筑、順向張拉”施工方案完成預應力張拉后所引起的彎矩，與“整體澆筑、順向張拉”施工方案存在明顯區別。其中，逆向張拉施工方案引起的彎矩主要分布于框架柱端部，梁端彎矩普遍相對較??；順向張拉施工方案使得梁端彎矩顯著增大，且跨中負彎矩量值較大，這就導致大跨預應力混凝土空心樓板處容易出現向上凸起變形。

2.2.2 結構變形分析

結構變形是預應力張拉過程中重要的監測和控制指標，為此，同樣選取東西方向3#軸框架作為研究對象，不同張拉方案完成后結構變形如圖6 和圖7所示。

分析對比圖6 和圖7 預應力張拉后結構變形可知，相比順向張拉施工方案，逆向張拉施工方案所引起的結構內力與變形均相對較??；還可發現，“整體澆筑、逆向張拉”對框架柱水平向變形影響較小，“整體澆筑、順向張拉”對框架柱水平向變形影響較大。

圖6 逆向張拉過程3#框架變形圖

圖7 順向張拉過程3#框架變形圖

3 結束語

以實際工程為背景，分別模擬了2 種施工方案下逐層張拉預應力的情景。通過對2 種施工方案下結構內力和變形的對比分析，主要得出如下結論：①“整體澆筑、逆向張拉”施工方案下，張拉結構突變層，會對其下2 層框架梁的彎矩均產生影響；張拉其他樓層時，只對相鄰樓層框架梁層彎矩產生影響?！罢w澆筑、順向張拉”施工方案下，張拉1 層和2 層，均會對其上2 層框架梁彎矩產生影響；張拉其他樓層，主要對相鄰樓層框架梁彎矩產生影響。②“整體澆筑、逆向張拉”施工方案下框架梁的變形比“整體澆筑、順向張拉”施工方案下的小，這一現象在2 種施工方案下，第2 層張拉完成后對比最明顯；“整體澆筑、逆向張拉”施工方案下框架柱的水平向變形比“整體澆筑、順向張拉”施工方案下的小。③“整體澆筑、逆向張拉”施工方案下結構各樓層的彎矩、位移與層間位移角均比“整體澆筑、順向張拉”方案下小。