双向预应力结构设计施工

1、双向预应力混凝土结构的设计与施工李伟兴（同济大学建筑设计研究院 上海200092）提要 针对双向预应力混凝土结构中各向预应力筋交叉问题，建议了判别相交的方法，提出有粘结筋与无粘结筋混合布筋方案，并对施工工艺和构造处理提出了合理建议，可供工程技术人员参考。关键词 双向结构, 预应力混凝土, 设计施工双向预应力混凝土结构在平面内由于预应力构件双向交叉，不同方向的预应力筋（或波纹管）在梁系交叉点处交错叠放，甚至可能相交，这是设计与施工中面临的一个突出问题，设计人员应该在初步设计阶段对此作详尽的考虑。本文针对此问题进行了专门探讨。1 判断是否相交的方法在结构设计阶段，设计人员往往注重于结构的力学分析，

2、而可能忽视施工中存在的一些困难。双向预应力混凝土结构中的预应力束通常为双向曲线束，有时同一根梁中就有多排预应力束，因此不同方向的预应力筋（或波纹管）在梁系交叉点处可能发生相交的情况，这个问题在设计阶段如果未能详尽考虑，将导致随后的预应力施工无法实现。文献1给出了一种判断双向结构的预应力筋在梁系交叉点处是否相交的实用方法，并根据这一方法编制了计算程序，在此对其基本思路及计算方法做一简单介绍。 图1 双向结构平面示意 图2 平面交叉梁系（1）给梁和各预应力索编号（如图1），编号原则：先从左到右然后再从下到上；确定梁的两端坐标，梁上的索数及索号，预应力索的类型数、各类型的定位参数以及各类型包括的索数

3、和索号，相交条件参数等。（2）计算直线梁的方程及总体坐标下梁系交叉点的坐标（i）两端坐标为的直线梁方程可以表述为： （1）若，否则，；（ii）如图2所示，不平行的两直线梁的交点坐标为： ， （2）（3）如图2所示，在各梁的局部坐标下x向坐标可以通过下面的公式求得： （3） （4）其中，（）为第i号梁端的坐标，（）为第j号梁端的坐标。（4）由梁上索号推算出索的交点、各向索的索号及计算各梁系交叉点上各索的局部坐标yi和yj，并判断是否真正相交。（i）由已知的xi和xj，计算yi和yj；（ii）根据下式判断两预应力索是否在梁系交叉点处是否相交： （5）其中，为第k个梁系交叉点上两预应力索的相交判断条

4、件，如对于波纹管为两波纹管的半径之和加上一个工作间隙。如果式（5）成立则相交，否则不相交。（5）在上面给出的双向井字梁判断方法的基础上，经过多重循环即可判断多向预应力构件的预应力筋在梁系交叉点处是否相交。文献1给出的线形相交判断方法，仅是解决了一个预应力筋几何线形问题，而对于如何调整预应力筋线形在以避免其相交的同时获得最大的预应力效应，则是一个非常复杂的但又值得进一步研究的问题。2 有粘结与无粘结混合配筋的布筋方案在判断各方向梁之间的相交情况后，设计者必须对预应力筋线形和数量进行调整，再进行试算。但对于双向结构在网格数较多的情况下，调整布筋方案有时只能减少相交情况发生，却很难保证每个交叉点都不

5、相交。这是因为预应力筋的线形方程随着某一点的矢高调整而整体改变，随之又可能发生新的相交情况。针对这一突出问题，结合目前已有的一些研究资料，笔者提出有粘结与无粘结混合配筋的方法。我们知道，在部分预应力混凝土结构中，有粘结部分预应力结构已在地震区逐步推广应用，无粘结预应力结构在地震区主要用于多、高层建筑分散配筋的楼盖和屋盖，而对集中配筋的主要承重构件（例如框架梁、转换大梁等）采用无粘结预应力结构一般持谨慎的态度。但是，无粘结预应力结构具有施工方便、工序少、摩擦损失小、端部构造简单等优点，很受工程界欢迎。研究表明，采用有粘结预应力筋和无粘结预应力筋混合配筋的预应力混凝土，其延性及抗震性能介于有粘结部

6、分预应力混凝土结构和无粘结部分预应力混凝土结构之间，是良好的，可以满足地震区对预应力混凝土结构抗震性能的要求2。(a)有粘结预应力束配筋 (b)有粘无粘预应力束混合配筋图3 不同配筋方案的矢高变化在双向预应力混凝土结构中一般采用有粘结的结构方案（尤其是在地震区），有粘结预应力束由多根预应力筋集中布置于孔道中，因此孔道直径较大，很容易发生各向预应力束相交的问题。而无粘结预应力筋是单根独立成束，即使发生相交，也容易调整。所以，当双向有粘结预应力束发生相交时，可以将一部分有粘结预应力束改为无粘结预应力筋，并在保持预应力束的形心线线形方程不变的条件下，调整预应力束矢高。图3(a)所示为原来的有粘结预应

7、力束的配筋方案（2束共14根），因与另一方向的预应力束发生相交，将其中的4根预应力筋改用无粘结预应力筋（图3(b)），从而使有粘结预应力束的矢高向下调整了40mm，调整后的预应力束形心线线形方程仍保持不变。有粘结筋与无粘结筋的区别在于二者的预应力损失和极限应力的计算，由于无粘结筋的摩擦损失一般较有粘结筋略小，因此用无粘结筋替代有粘结预应力束后，在正常使用阶段的抗裂要求通常能够满足，但是在极限承载力阶段还需再次验算。由于用少量无粘结筋替换有粘结筋仅使极限承载力降低很小，而一般情况下预应力构件由抗裂及挠度控制配筋，承载力往往有富余，所以承载力验算一般能够满足。同时，无粘结预应力筋的数量可以遵循下列

8、原则确定3：（1）有粘结预应力筋（AP1）和无粘结预应力筋（AP2）的总量AP = (AP1 + AP2)应满足使用性能和所选择的预应力度的要求，因为预应力度对预应力结构的使用性能和抗震性能有重要影响。（2）竖向荷载和水平地震作用下，梁的承载能力完全由有粘结预应力筋和非预应力筋共同承担，无粘结预应力筋的作用是和有粘结预应力筋一起共同满足抗裂及挠度验算的要求。（3）按照我国有关规范或规程，对于有粘结部分预应力梁，非预应力筋的最低配筋率是0.2%；对于无粘结部分预应力梁，无粘结预应力混凝土结构技术规程（JGJ/T 92-93）规定，梁中受拉区配置的非预应力筋的最小截面面积As取下列两式计算结果的较

9、大值： （6） （7）对于采用有粘结预应力筋与无粘结预应力筋混合配筋的部分预应力混凝土梁，考虑到地震区梁内有粘结筋是占主要的，同时考虑到适当增加非预应力筋的用量对抗震有利，故建议非预应力筋的最小配筋率宜取为0.3%。（4）在满足截面构造要求的前提下，尽量使有粘结预应力筋靠近截面受拉边缘，无粘结预应力筋配置在其内侧，如图3(b)所示。但在支座负弯矩截面上有粘结筋将处于无粘结预应力筋的内侧，此时非预应力筋的用量会有所增加。3 双向预应力混凝土结构的施工特点33.1 预应力混凝土结构模板工程图4 钢筋笼的整体提升绑扎施工通常，后张预应力梁的模板和支撑应能满足最不利施工荷载作用下的强度和刚度要求，同时

10、需防止支撑底部地基的不均匀沉陷。为克服张拉阶段反拱过大的问题，宜采用“先次梁，后框架梁”的张拉顺序，以控制预应力框架梁的反拱值。考虑到该张拉顺序将使得平板和次梁上的荷载全部传递到框架梁，而框架梁在张拉前完全依赖梁底支撑受力，因此应通过仔细验算，对预应力框架梁梁底支撑可采用加密方法进行加强。3.2 预应力筋的定位和穿束目前土建施工单位多采用“钢筋笼整体提升绑扎再沉放”的工艺，即模板工程全部完成后，钢筋工进场先在楼板底模上架立门式钢管支架，然后通过门式钢管支架将钢筋笼抬立于楼面以上进行绑扎，最后当钢筋笼全部绑扎结束且预应力筋穿束完成后，拧松门式钢管支架的连接扣件，将钢筋笼整体沉放入模板槽中，见图4

11、。图5 双向波纹管的交错铺放双向预应力混凝土框架的预应力施工主要需解决预应力束的交错铺放，见图5。由于需要将几十米长的钢绞线连同波纹管按设计的曲线线形逐根安装就位，而且是双向交错叠放，施工难度较大。建议采用坐标分析法进行平铺并架设定位支架：首先在结构平面图上标明所有预应力束交叉点处各排预应力束的坐标，根据该坐标判断交叉点处预应力束的上排、下排位置，并找出在各交叉点处（或在大多数交叉点处）均处于最下一排的预应力束作为第一批铺放的束，剔除第一批铺放束后，再按同样的方法依次找出下一批铺放的预应力束。该方法可以较直观地解决预应力束的铺放顺序问题，避免双向预应力束的交错“编织”。为节约工期，波纹管的铺放

12、、预应力筋的穿束工序与普通钢筋绑扎可以交叉进行作业，实践表明，通过预应力公司与土建施工单位的密切配合，完全可以实现普通钢筋绑扎与预应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为受到“整体沉放”工艺特点的限制，必须待钢筋笼就位后才能进行操作，这需要占用一定的独立工期。保证波纹管顺利从柱纵筋之间穿出也是一个技术关键。在柱筋绑扎前，预应力公司需要先对柱配筋图进行详细的放样，适当调整柱纵筋的净距；同时，通过技术交底要求梁柱节点的箍筋和梁中部的“S”形拉结筋必须在波纹管穿完后再进行绑扎，并要求钢筋工保证沉放前钢筋笼的平整度（防止钢筋笼变位过大给穿管造成困难）。这些措施可有效保证波纹管的定位和

13、铺设。钢筋笼在沉放前，必须对已铺设好的波纹管详细进行检查，尤其需加强梁柱节点处的检查，发现局部破损及时进行修补。沉放过程中派专人密切观察钢筋密集处的波纹管情况。3.3 混凝土浇筑工序按照预应力工程的有关操作规程，浇筑混凝土时振捣棒不能直接挤碰波纹管，以防损坏波纹管而引起漏浆，堵塞孔道，而在预应力张拉端、锚固端、梁柱节点等关键部位，宜用小直径的振捣棒或振捣片仔细振捣密实。施工过程中，为防止波纹管局部漏浆影响以后的张拉作业，建议采取如下的措施：（1）在混凝土初凝前派专人定时对预应力筋来回拉动。对于总长度超过50m的预应力梁，宜采用铁链葫芦进行拉动。拉动的时间不能过早，一般在混凝土浇筑后34小时后进

14、行，否则可能会扰动新浇混凝土；（2）增设泌水管。每隔13米左右设置一根泌水管，这有利于孔道堵塞情况的检查，并能保证灌浆过程的通畅。即使张拉时发现漏浆堵孔情况，也可采用往泌水管注水的检查方法，尽快确定出孔道的堵塞区段，尽快提出处理办法。3.4 预应力筋的张拉预应力井式梁框架结构一般采用逐层浇筑，逐层张拉的施工工艺。预应力筋的张拉作业需待混凝土强度至少达到设计强度的75%后进行，并以现场同等养护条件下的混凝土强度报告为依据。预应力筋张拉施工采用双控，即伸长值和张拉力控制。实际工程中常采用超张拉工艺抵消部分预应力筋的松弛损失，当预应力超长情况下，两端的张拉操作人员需通过对讲机随时保持联系。当预应力筋

15、较长时，其伸长值将大于千斤顶行程，此时可采用分级张拉累计伸长值的办法。张拉以张拉力为主要控制指标，伸长值作为校核指标，实际伸长值与计算伸长值之间的偏差应在-6+6%的范围内，如张拉过程中张拉伸长值超过该偏差范围应立即停止操作，查明原因，待采取措施并排除故障后才能继续张拉。3.5 施工构造措施预应力混凝土结构的锚固区一般设置于边节点处，在该节点处钢筋交错密集，因此预应力波纹管的穿管难度很大，也容易造成混凝土不密实。实际根据设计计算，预应力框架边节点的负弯矩的配筋量往往有富余，因此，边节点区的钢筋构造做法从理论上说可以简便一些4。施工中的做法通常有：（1）在中间楼层的边节点区，预应力梁的顶筋向上弯折锚固，底筋向下弯折锚固；（2）在顶层的边节点区，预应力梁的顶筋提前200mm向下弯折锚固，底筋向下弯折锚固；（3）如果施工先穿波纹管，后沉放钢筋笼，则顶层柱纵筋的水平锚固段不能按常规弯折进行下料，而必须在钢筋笼沉放就位后再弯折锚固。4 结束语 双向预应力混凝土结构中，各向预应力筋（或波纹管）在梁系交叉点处的相交问题设计与施工中的突出问题。本文针对该问题进行了深入探讨：建议了判别预应力筋相交的方法，提出有粘结筋与无粘结筋混合布筋方案以调节预应力筋的失高，并对