高層建筑地下室有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力頂板設(shè)計(jì)與施工技術(shù)探討

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摘要:本文結(jié)合工程實(shí)例,詳細(xì)闡述了地下室頂板有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn),并在與一般鋼筋混凝土樓板比較分析的基礎(chǔ)上,對(duì)其的使用性能及良好的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入探討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞:有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力;地下室頂板;鋼筋混凝土樓板;配筋;經(jīng)濟(jì)性1工程概述

湖南某住宅小區(qū)由多棟10～13層小高層和多層住宅組成,總建筑面積達(dá)10萬(wàn)m2。其中室外地下室頂板采用預(yù)應(yīng)力技術(shù),以充分利用頂板帶來(lái)的空間,平時(shí)頂板下為室內(nèi)停車場(chǎng),戰(zhàn)時(shí)則為6級(jí)物質(zhì)庫(kù),并頂板上種植綠草、修造花園等公共設(shè)施,以營(yíng)造舒適、生活休閑功能齊全的高尚社區(qū)。本工程柱網(wǎng)尺寸主要為8.0m×8.0m,地下室頂板上覆土1000mm,并且有人防要求。由于荷載大(覆土荷載、消防車荷載和人防荷載)、抗裂要求高,故該工程的地下室頂板采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無(wú)梁樓蓋技術(shù),其平面布置見(jiàn)圖1。

2有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力地下室頂板的設(shè)計(jì)驗(yàn)算

2.1計(jì)算模型和設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程地下室頂板室外覆土1000mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,fc=16.7N/mm2,非預(yù)應(yīng)力筋為級(jí)鋼,fy=300N/mm2,預(yù)應(yīng)力筋采用直徑為Φs15.2,fptk=1860N/mm2級(jí)低松馳鋼絞線,張拉控制應(yīng)力取0.7fptk=1302MPa。設(shè)計(jì)荷載為:板厚300mm自重:7.5kN/m2,其它恒載:20.0kN/m2,正常使用活載:3.5kN/m2,消防車荷載:20kN/m2,人防等效荷載:65kN/m2。

由于地下室頂板荷載大并且分布不同,邊界條件復(fù)雜,同時(shí)還要考慮溫度應(yīng)力(本工程考慮25溫差)的影響,而計(jì)算模式不同,不同位置的應(yīng)力值將相差較大,所以采用了能有效地反映板的支承條件的板、梁、柱共同作用的空間結(jié)構(gòu)模式來(lái)計(jì)算板在各種荷載工況下的應(yīng)力即采用空間有限元程序SAP來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析,在各種荷載工況下應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2頂板的抗沖切驗(yàn)算

在進(jìn)行頂板設(shè)計(jì)時(shí),在柱子位置可適當(dāng)增加柱帽(本工程為大小為3000mm×3000mm,根部加高500mm的柱帽),易計(jì)算樓板在各種工況下的抗沖切驗(yàn)算完全能滿足要求。

2.3正常使用條件下頂板的抗裂控制條件

對(duì)于抗裂控制條件,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)比無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ/T92-2004)抗裂度要求略高,而且沒(méi)有后者具體,因此對(duì)于板結(jié)構(gòu),我們認(rèn)為,無(wú)論有粘結(jié)筋還是無(wú)粘結(jié)筋,抗裂度統(tǒng)一可以按(JGJ/T92-2004)取值。

因此在正常使用條件下的,抗裂驗(yàn)算可采用如下公式:

(1)在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下:

σck-σpc1.0ftk(1)

式中:σck荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合產(chǎn)生的應(yīng)力;

σpc預(yù)應(yīng)力等效荷載產(chǎn)生的應(yīng)力;

(2)在荷載效應(yīng)準(zhǔn)組合產(chǎn)生的應(yīng)力

σcq-σpc0.4ftk(2)

式中:σcq荷載效應(yīng)準(zhǔn)組合產(chǎn)生的應(yīng)力

對(duì)于在消防車荷載及人防荷載條件下,可不用按上述條件要求計(jì)算,只需在強(qiáng)度條件滿足的前提下,另外復(fù)算消防車荷載下的裂縫寬度為0.2mm以內(nèi)即可。

2.4設(shè)計(jì)結(jié)果

通過(guò)有限元程序計(jì)算外荷載作用下的應(yīng)力,依據(jù)頂板的抗裂控制條件,確定預(yù)應(yīng)力等效荷載,進(jìn)一步得出每跨預(yù)應(yīng)力筋束數(shù)。本工程雙向均勻布置,每跨8.0m配預(yù)應(yīng)力筋30束(預(yù)應(yīng)力筋平面布置圖2)。

2.5樓板的極限承載力

對(duì)于預(yù)應(yīng)力樓板,裂縫控制條件往往是比較嚴(yán)格的,因此在抗裂控制條件滿足的前提下,可以按規(guī)范的小配筋率要求(人防要求0.3%)構(gòu)造配置普通鋼筋,這樣驗(yàn)算板的正常使用及人防條件下的極限承載力通常都大于設(shè)計(jì)承載力。

3有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力地下室頂板施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1預(yù)應(yīng)力筋布置

預(yù)應(yīng)力筋布置應(yīng)嚴(yán)格按圖施工,鋼筋數(shù)量及種類必須符合圖紙要求,嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求曲線布筋,保證在垂直方向上各控制點(diǎn)的高度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,曲線要平滑,反彎點(diǎn)位置按圖施工,梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層小厚度50mm。張拉端與固定端采用夾片類7孔錨具,喇叭管和螺旋筋與其配套。孔道采用金屬波紋管留孔,管徑為70。接管采用大一號(hào)的波紋管,采用一端張拉。

3.2波紋管埋設(shè)及預(yù)應(yīng)力筋穿束

支模板過(guò)程中,梁的側(cè)模板先不封,以便于金屬波紋管和預(yù)應(yīng)力筋的埋設(shè)。在非預(yù)應(yīng)力鋼筋綁扎好后,根據(jù)設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力筋曲線坐標(biāo),將波紋管固定支架焊接在大梁相應(yīng)位置和標(biāo)高處的箍筋上。支架采用Φ10鋼筋,間距為800mm。定位鋼筋固定好后,即可安裝金屬波紋管,波紋管逐根穿入,與定位支架用20號(hào)鐵絲十字交叉綁扎牢固,要特別注意點(diǎn)、反彎點(diǎn)和梁跨中處的位置準(zhǔn)確。由于波紋管由兩段或多段組成,兩段管之間接頭用大一號(hào)波紋管(L=300rnm)套接,張拉端頭擴(kuò)大孔采用Φ85的波紋管。波紋管所有連接處用防水膠帶纏裹嚴(yán)實(shí)防止漏漿。安裝好波紋管后,即可進(jìn)行鋼絞線穿束。

3.3模板及腳手架工程

要求梁模板的支架必須滿足承受結(jié)構(gòu)的自重和可能出現(xiàn)的施工荷載的要求,并有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力梁兩側(cè)模板必須在波紋管固定好并驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行封模安裝,在模板打?qū)菟讜r(shí)必須注意預(yù)先定出位置,防止打穿波紋管。

3.4混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑時(shí)嚴(yán)禁踩壓波紋管、預(yù)應(yīng)力筋、定位鋼筋、排氣管(兼泌水管)及端部頂埋件?；炷翝仓^(guò)程中,要在波紋管的兩側(cè)對(duì)稱下料,振搗時(shí),振動(dòng)棒不得碰到波紋管、錨具等,以免損壞波紋管而引起漏漿堵塞孔道和保證頂應(yīng)力筋的束形和錨具的位置準(zhǔn)確。并注意控制波紋管的上浮現(xiàn)象發(fā)生,澆筑好后要注意養(yǎng)護(hù),以確?；炷劣凶銐虻某袎毫?以免張拉時(shí)發(fā)生事故。

3.5張拉控制

張拉過(guò)程實(shí)行雙控管理,即以應(yīng)力控制為主,并同時(shí)實(shí)施伸長(zhǎng)值測(cè)量控制。在正式張拉前進(jìn)行試張拉,實(shí)測(cè)摩擦損失系數(shù),再根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果填寫張拉要點(diǎn)(包括張拉力及計(jì)算伸長(zhǎng)值)。張拉的實(shí)際伸長(zhǎng)值不應(yīng)大于計(jì)算伸長(zhǎng)值的+6%或小于-6%,若發(fā)現(xiàn)實(shí)際伸長(zhǎng)值超出此范圍,應(yīng)停止張拉,查明原因可繼續(xù)張拉。

3.6孔道灌漿和封錨

灌漿水泥采用普通硅酸鹽水泥,水灰比為0.4,摻減水和帶微膨脹的外加劑,塌落度為16cm。從設(shè)置在曲線孔道點(diǎn)的灌漿孔中均勻地一次灌滿孔道,待兩端出氣處冒出濃漿后方可封閉泌水孔(出氣孔)并繼續(xù)加壓到0.6MPa,持荷2min后封閉灌漿孔。張拉灌漿完成后緊接著進(jìn)行封錨。封錨前必須將錨具、錨孔清理干凈,按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行封錨,凸出的錨頭按照設(shè)計(jì)的大樣圖由總包方配置附加鋼筋,對(duì)錨具進(jìn)行封閉保護(hù)。封錨材料必須將錨具、預(yù)應(yīng)力鋼絲頭全部封錨堵密實(shí),不得留有空隙,筋頭、錨具不得外露。

4地下室預(yù)應(yīng)力頂板設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

1)地下室頂板采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)時(shí),解決了超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)樓板收縮開(kāi)裂問(wèn)題,通常在板中我們施加1.5～2.3MPa左右的收縮預(yù)壓應(yīng)力來(lái)抵抗混凝土的收縮和溫度應(yīng)力。但是樓板的伸縮對(duì)柱子的影響不容忽視,特別是靠近端部的柱子,變形大,附加彎矩大,在計(jì)算柱子的承載力的時(shí)候,應(yīng)充分考慮施加預(yù)應(yīng)力,溫度應(yīng)力和混凝土收縮等的影響。2)對(duì)于一些承受特殊荷載的板系,抗裂度可以適當(dāng)降低,可以考慮加強(qiáng)耐久性的措施。如行駛消防車的地下室頂板,因?yàn)橄儡囀桥R時(shí)荷載,也許結(jié)構(gòu)的整個(gè)生命周期內(nèi),消防車都不會(huì)出現(xiàn),因此把消防車荷載來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的抗裂度是不妥當(dāng)?shù)摹Ｋ栽谟?jì)算配筋時(shí),如考慮全部車輛荷載的時(shí)候,可控制裂縫寬度不大于0.2mm即可。

3)注意協(xié)調(diào)正常使用階段、正常使用承載力極限狀態(tài)和消防車荷載、人防荷載作用后四種不同受力狀態(tài)的配筋,使后配筋不僅能同時(shí)滿足,而且又經(jīng)濟(jì)。

4)地下室頂板通常會(huì)開(kāi)設(shè)透氣窗、采光井、水管井等,而且板上開(kāi)洞大小不一。對(duì)于大于1m的洞的周邊均易出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,這時(shí)預(yù)應(yīng)力束和普通鋼筋根據(jù)開(kāi)洞石板的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行配置,洞周邊應(yīng)設(shè)置暗梁或反梁。這時(shí)的預(yù)應(yīng)力筋離洞邊應(yīng)有一定距離,并應(yīng)以足夠大的曲率平緩繞過(guò)板中的洞口。

5)施工時(shí),張拉端、固定端支錨具須有可靠固定,并保持張拉作用線與承壓板面垂直。預(yù)應(yīng)力混凝土要連續(xù)澆注完畢,不留施工縫,并同時(shí)留足兩組試件(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件和同條件養(yǎng)護(hù)試件),并檢查混凝土坍落度是否符合要求。

封錨材料必須將錨具、預(yù)應(yīng)力鋼絲頭全部封錨堵密實(shí),不得留有空隙,筋頭、錨具不得外露。

5預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)綜合優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)性比較

5.1使用功能

1)采用預(yù)應(yīng)力混凝土無(wú)梁樓蓋方案有利于減少地下室埋深及基坑的開(kāi)挖深度。頂板做成預(yù)應(yīng)力板后,則可以降低層高,減少水壓力,減少了基坑的開(kāi)挖深度。

2)采用預(yù)應(yīng)力混凝土無(wú)梁樓蓋方案有利于增加地下室的凈空高度或者減少層高。對(duì)于8.0m跨度的樓蓋體系,若采用普通鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu),梁需要占去900mm左右的凈空,而采用預(yù)應(yīng)力樓板后,取消了不必要的明梁,板厚為180～300mm(柱帽部分總高度約為500mm),這樣在凈空不變的情況下,至少可以減少600mm以上的層高。

3)采用預(yù)應(yīng)力混凝土無(wú)梁樓蓋方案具有優(yōu)越的抗裂性,并解決了超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力不僅解決了豎向荷載下的抗裂問(wèn)題,而且在混凝土頂板中建立了大約1.5～2.3MPa的預(yù)壓應(yīng)力,對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)抵抗溫度應(yīng)力以及混凝土收縮應(yīng)力具有明顯的優(yōu)越性,結(jié)構(gòu)還可不設(shè)施工縫。

5.2經(jīng)濟(jì)性比較

采用預(yù)應(yīng)力混凝土無(wú)梁樓蓋方案減少鋼筋、混凝土用量,降低結(jié)構(gòu)的造價(jià)。本工程相同條件下如采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配筋見(jiàn)圖3,與圖2預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表2。

上述比較中,混凝土綜合價(jià)格按照400元/m3,普通鋼筋綜合價(jià)格按照3800元/t,預(yù)應(yīng)力綜合價(jià)格按照16500元/t。由表1的經(jīng)濟(jì)比較可以發(fā)現(xiàn):采用預(yù)應(yīng)力無(wú)梁樓蓋方案比普通鋼筋混凝土梁板方案每平米綜合單價(jià)約低10%。

5.3對(duì)施工進(jìn)度的影響

與普通梁板方案相比,預(yù)應(yīng)力施工需要增加鋼絞線的布置、張拉、灌漿等工序,但其中只有鋪設(shè)鋼絞線需要單獨(dú)占用主導(dǎo)工序的時(shí)間,而模板的安裝、普通鋼筋的鋪設(shè)的難度和工期都有較大節(jié)約,張拉和灌漿可以和其它工序同時(shí)進(jìn)行,不影響施工進(jìn)度,大量的工程實(shí)例表明,采用預(yù)應(yīng)力有利于加快進(jìn)度。

6結(jié)語(yǔ)

綜上所述,預(yù)應(yīng)力技術(shù)經(jīng)過(guò)了多年的工程實(shí)踐和不斷發(fā)展,已經(jīng)是比較成熟的一項(xiàng)工程技術(shù),在今后的發(fā)展應(yīng)用中,還將日臻完善。由工程實(shí)踐可知,預(yù)應(yīng)力技術(shù)在地下室頂板中的種種優(yōu)勢(shì),具有有著強(qiáng)大的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力,一定會(huì)在未來(lái)的工程實(shí)踐中得到更加廣泛的應(yīng)用。