大跨度框架梁后张有粘结预应力技术设计与施工

何建波

摘要：上海绿地东煜置业有限公司开发建设的商业购物中心大楼，采用后张有粘结预应力技术，在多层、大面积框架结构中采用有粘结技术不仅可以增大室内空间，还可提高结构性能、节省钢筋和混凝土材料，降低建筑造价等。

关键词：大跨度框架梁；后张有粘结预应力

1工程概况

周浦镇08单元06-07地块大型购物中心的商业项目，地址位于上海市浦东新区周浦镇年家浜东路238号，建设单位上海绿地东煜置业有限公司。本工程预应力主要分布在I、II、III区域，二、三、四及屋面层内，且预应力梁的分布较分散。

1.1二层结构平面（标高5.45m）

III区块AG～AF/7～11轴有一条预应力梁，梁截面：500*1200，梁跨度约24.50m；

II区块U～T/6～10轴有二条预应力梁，梁截面：500*1100，梁跨度约19.70m；

I区块Q～P/7～10轴有四条预应力梁，梁截面：500*1100、450*1100，梁跨度约20m；M～K/7～10轴有七条预应力梁，梁截面：500*1100、450*1100，梁跨度约18m；

1.2三层结构平面（标高10.65m）

III区块AG～AF/7～11轴有一条预应力梁，梁截面：500*1200，梁跨度约23.50m；

II区块V～U/6～9轴有二条预应力梁，梁截面：500*1100，梁跨度约19m；

I区块Q～P/7～10轴有四条预应力梁，梁截面：450*1100、450*1200，梁跨度约20m；M～J/7～10轴有九条预应力梁，梁截面：450*1100，梁跨度约18m；

1.3四层结构平面（标高15.85m）

III区块AB～AA/7～11轴有四条预应力梁，梁截面：600*1100、500*1100，梁跨度约20.35m；

I区块Q～N/7～10轴有四条预应力梁，梁截面：450*1100、450*1200，梁跨度约20m；K～J/7～10轴有一条预应力梁，梁截面：500*1200，梁跨度约18m；

1.4屋面层结构平面（标高21.05m）

III区块AF～AE/7～8轴有三条预应力梁，梁截面：600*1300、500*1200，梁跨度约10m；AB～AA/7～11轴有四条预应力梁，梁截面：600*1300、500*1100，梁跨度约20m；

2后张有粘结预应力设计

按照本工程的实际情况和跨度，预应力筋采用极限强度标准值为1860MPa级、ФS15.20低松弛预应力钢绞线，截面积140m㎡。有粘结预留孔道采用金属波纹管成型，预应力混凝土梁设计强度等级为C40混凝土，不得掺加任何氯化物外加剂。

2.1材料

本工程拟选用的预应力主要施工材料见表1：

鋼绞线

ФS15.24mm，fptk=1860（MPa）

天津市恒宇预应力钢绞线有限公司

锚具

QWM15系列

柳州市南部佳正预应力机械有限公司

浙江强伟预应力技术有限责任公司

表1预应力主要施工材料选用计划

（1）施工中所用材料必须有生产批号、产品质量保证书等，符合国家相关标准、规范。

（2）预应力绞线截面特征及力学性能

本工程所用预应力钢绞线截面尺寸及力学性能应满足表2的要求。

抗拉强度

公称直径

公称面积

最小破坏

1%伸长时最小荷载KN

最小延伸率%

1000H最大松弛率

N/mm2

mm

mm2

荷载KN

70%F

80%F

1860

15.2

140

260.7

234.6

3.5

2.5

3.5

表2钢绞线截面特性及力学性能

钢绞线出场时应有质量保证书，每盘上应挂有标盘，进场时，应按现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224）等的规定抽取试件作力学性能检验，其质量必须符合有关标准的规定。

2.2预应力设计技术

2.2.1理论伸长值的计算

曲线预应力筋的理论张拉伸长值△LT按以下近似公式计算：

△LT=（1+exp[-（kLT+uθ）]）Fj/（2ApEp）LT

式中：Fj--预应力筋的张拉力；

Ap--预应力筋的截面面积；

Ep--预应力筋的弹性模量；

LT--从张拉端至固定端的孔道长度（m）；

K--每米孔道局部偏差摩擦影响系数；

u--预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数；

θ--从张拉端至固定端曲线孔道部分切线的总夹角（rad）

2.2.2伸长值的实测和校核

由于开始张拉时，预应力筋在孔道内自由放置，而且张拉端各个零件之间有一定的空隙，需要用一定的张拉力，才能使之收紧。预应力筋张拉伸长值的量测，是在建立初应力之后进行。实际伸长值△L应等于：

△L=△L+△L2-2△L1

式中：△L1--从初应力至最大张拉力之间的实测伸长值；

△L2--从初应力至20%最大张拉力之间的实测伸长值；

△L1--从初应力至10%最大张拉力之间的实测伸长值；

本工程初应力取为张拉控制应力的10%。张拉时，通过张拉伸长值的校核，可以综合反映张拉力是否足够，孔道摩擦损失是否偏大，以及预应力筋是否有异常。张拉时要求实测伸长值与理论计算伸长值的偏差应在±6%范围之内，超出时应立即停止张拉，查明原因并采取相应的措施之后再继续作业。

本工程预应力梁两端张拉总伸长值取两端伸长值之和。

2.3张拉流程设计

为防止张拉过程中梁产生较大的偏心受力，张拉次序一般为先中间后上下或两侧，当仅有两个平行孔时，可采取不对称张拉。

2.3.1一端张拉流程图

0→初应力（10%控制应力、读数量测伸长值）→20%控制应力（读数量测伸长值）→100%控制应力（读数量测伸长值，持荷两分钟）→锚固→卸荷。

2.3.2两端张拉流程图

0→初应力（10%控制应力、读数量测伸长值）→20%控制应力（读数量测伸长值）→100%控制应力（读数量测伸长值，持荷两分钟）→一端锚固→另一端补足张拉力后锚固→卸荷。

如果预应力筋的伸长值大于千斤顶的行程，可采用分级张拉，即第一级张拉到行程后锚固，千斤顶回程，再进行第二次张拉，直至达到张拉控制值。

3后张有粘结预应力施工

有粘结预应力技术，是指在结构或构件中预留孔道，待混凝土硬化达到一定强度后，穿入预应力筋，通过张拉预应力筋并采用专用锚具将张拉力锚固在结构中，然后在孔道中灌入水泥浆。其施工技术主要包括成孔技术、穿束技术、张拉锚固技术、锚头保护及灌浆技术等。

3.1成孔及穿束技术

3.1.1波纹管质量要求

波纹管进场须有出厂合格证。使用前应逐根检查其外观质量，表面不得有油污、引起锈蚀的附着物、孔洞和不规则的折皱，咬口应紧密。

波纹管搬运时应轻拿轻放，不得抛甩或在地上拖拉，吊装时不得拦腰捆扎成单点起吊。波纹管不得直接堆放在的地面上，应采取措施防止雨露和各种腐蚀性气体和介质的影响；长期保管时应堆放在通风良好的仓库内。

3.1.2成孔及穿束技术要求

①本工程预应力孔道所选用塑料波纹管，能保证孔道质量。孔道成型样式如图1。

图1波纹管及预应力式样

②土建总承包单位支好梁的底模，普通钢筋就位之后，根据设计要求的矢高安装预应力定位支架，其间距约为1000mm。支架用φ12以上直径的钢筋制作。

③铺设预应力波纹管，并牢牢绑扎在定位支架上。在构件的端部应设置灌浆孔，每跨的最高点安装盖瓦和排气管。

④张拉端部锚垫板的安装：波纹管位置固定好并穿束完成后，可安装锚垫板及螺旋筋。端部锚垫板、螺旋筋由于处于支座钢筋较密处，安装比较困难，应保证其位置的准确。同时还必须保证垫板与孔道切线相垂直。

⑤当穿束在浇捣混凝土前进行时，在锚垫板安裝完成后，应对垫板外工作长度内的外露钢绞线进行保护，同时应对预应力孔道和垫板上的灌浆孔进行封闭，防止其它物质对其损害。具体方法：在外露钢绞线外采用防水胶布材料进行包扎。详见图2。

⑥用棉丝密封灌浆孔、喇叭口等重要部位，连接部位用胶带缠绕密封。

⑦在浇筑混凝土前，技术人员认真检查各关键部位及预应力孔道的高度，认真仔细全面地检查波纹管有无破损，认真填写"自检记录"和"隐蔽工程验收记录"。

⑧在浇筑混凝土时前应进行施工技术交底，并强调振捣棒不得直接碰撞预应力孔道，避免破坏波纹管而导致浆体进入预应力孔道。

⑨浇筑混凝土过程前，应用胶带封堵所有灌浆孔和排气孔，并用棉丝塞紧喇叭口等空腔，防止水泥浆进入波纹管堵塞预应力孔道。

图2施工现场布管及铺设预应力钢筋

3.1.3成孔对混凝土浇筑的要求

①在浇筑混凝土前，应进行专项的预应力孔道检查。项目部将组织自检，包括仔细检查预应力孔道的完好，及时修补。孔道接头处应用胶布密封好。另外预应力张拉端处应用棉丝密封灌浆孔、喇叭口等重要部位。

②在浇筑混凝土时，振捣棒不得直接碰撞预应力孔道，防止破坏波纹管而导致浆体进入预应力孔道。

③混凝土达到设计要求强度以后，及时拆除预应力梁张拉端一侧的模板，清理张拉端喇叭口和预应力筋，安装锚具，为张拉工序做好准备。

3.2张拉锚固技术

3.2.1预应力张拉设备在使用前，应送权威检验机构采用顶机的方式，对千斤顶和油表进行配套标定，并且在张拉前应试运行，保证设备处于完好状态。

3.2.2理顺张拉端预应力筋次序，依次安装工作锚、顶压器、千斤顶、工具锚。

3.2.3由于开始张拉时，预应力筋在孔道内自由放置，而且张拉端各个零件之间有一定的空隙，需要用一定的张拉力，才能使之收紧。因此，应当首先张拉至初应力（张拉控制应力的10%），量测预应力筋的伸长值，然后张拉至两倍初应力，再次量测伸长值，最后张拉至控制应力，第三次量测伸长值，计算实测伸长值△L1。核算伸长值符合要求后，卸载锚固回程并卸下千斤顶，张拉完毕；

3.2.4如果预应力筋的伸长值大于千斤顶的行程，可采用分级张拉，即第一级张拉到行程后锚固，千斤顶回程，再进行第二次张拉，直至达到张拉控制值。

3.2.5张拉作业，以控制张拉力为主，同时用张拉伸长值作为校核依据。实测伸长值与理论计算伸长值的偏差应在±6%范围之内，超出时应立即停止张拉，查明原因并采取相应的措施之后再继续作业。

图3有粘结预应力张拉用设备：液压千斤顶及油泵

预应力筋张拉前应搭设相关张拉操作平台，并将于张拉前编制详细的张拉任务单报送监理审批。其包括详细的针对各区张拉顺序及张拉伸长值等张拉控制，张拉时将详细填写张拉记录单。

I预应力张拉控制

①对混凝土强度的要求

必须以混凝土强度试验报告为依据，即混凝土强度达到设计要求后，才能开始张拉。

②张拉控制力

预应力束的张拉控制，以控制张拉力为主，同时用张拉伸长值作为校核依据。

本工程预应力筋张拉控制应力取0.75倍钢绞线的强度标准值。每根预应力筋的张拉控制力按下表取值。

预应力束

理论张拉力（kN）

初始张拉力

二倍初应力

张拉控制力

梁筋

19.53

39.06

195.3

表3单根预应力筋张拉控制力

③预应力筋在张拉过程中，应尽量避免发生断、滑丝。

④如有个别锚夹片失效导致钢绞线回缩，应松锚更换夹片后重新张拉。

⑤张拉后实际建立的有效应力

张拉后实际建立的有效应力与设计规定值偏差范围不超过5%，实际有效应力的测试方法应根据张拉时预应力筋伸长值以及油压表读数为准。

当实际建立的有效应力与设计值相差较大时，应找到原因并采取措施予以调整后方可继续施工。

⑥预应力筋应在张拉控制应力处于稳定状态下再锚固。锚固阶段张拉端锚具的内缩量不应大于6mm。

⑦预应力筋张拉及放松时，应填写预应力张拉记录表。

⑧张拉时，预应力筋的张拉力、张拉顺序及张拉工艺应符合设计及施工技术方案的要求，同时应符合表4规定：

序号

具体要求

1

张拉工艺应能保证同一束中各根预应力筋的应力均匀一致

2

当预应力筋是逐根或逐束张拉时，应保证各阶段不出现对结构不利的应力状态

3

当采用应力控制方法张拉时，应校核预应力筋的伸长值。实际伸长值与设计计算理论伸长值的相对允许偏差为±6%。如超出范围，须查明原因后采取措施，方可继续施工

4

张拉过程中应避免预应力筋断裂或滑脱

5

张拉锚固阶段张拉端预应力筋的内缩量应符合设计要求；当设计无具体要求时，对于一般常用的夹片式锚具，有顶压时内缩量限值为5mm；无顶压时，内缩量限值为6～8mm

表4张拉具体要求

⑨若施工中预应力筋产生断丝和滑移，其数量不得超过表5的控制数。

类别

检查项目

控制数

钢丝束和钢铰线束

每束钢丝断丝或滑丝

1根

每束钢绞线断丝或滑丝

l丝

每个断面断丝之和不超过该断面钢丝总数的

1%

单根钢筋

断筋或滑移

不容许

表5后張预应力筋断丝、滑移限制

注：①钢绞线断丝系指单根钢绞线内钢丝的断丝；

②超过表列控制数时，原则上应更换，当不能更换时，在许可的条件下，可采取补救措施，如提高其他束预应力值，但须满足设计上各阶段极限状态的要求。

图4有粘结预应力筋的张拉及张拉力控制表

图5现场预应力钢筋张拉

3.3灌浆及锚头保护技术

3.3.1灌浆材料要求

①灌浆水泥采用42.5级以上普通硅酸盐水泥，水泥浆体28d标准强度不低于30MPa。

②水泥浆的水灰比为0.4～0.42，搅拌后三小时的泌水率控制在2%以内，水泥浆流动度以16～20s为宜。添加适量膨胀剂，但不得掺入含氯化物等对预应力筋有腐蚀作用的外加剂。

③水泥浆自调制至灌入孔道的延续时间不宜超过30min。详见图5。

图6现场制浆

3.3.2灌浆工艺要求

①灌浆前切割外伸钢绞线，钢绞线露在锚具外的长度控制在30～50mm，然后用水泥浆密封所有张拉端，以防浆体外溢，并将排气孔部位的波纹管逐个打通，为下一步操作做准备。

②孔道灌浆顺序应先灌下面孔道再灌上面孔道，并集中一处的孔道一次灌浆完成，以免孔道漏将堵塞临近孔道。

③灌浆前应进行机具准备和试车。

④灌浆工作应缓慢均匀的进行，不得中断，并应排气通顺。

⑤灌浆孔设在张拉端垫板上，水泥浆从一端灌入，灌浆压力控制在0.5-0.6MPa。孔道较长或灌浆管较长时压力宜大些，反之可小些。

⑥灌浆进行到排气管冒出浓浆后，方可堵塞此处的排气孔。

⑦灌浆过程中制作1组70.7*70.7*70.7的立方体水泥净浆试块，标准养护28天后送交实验室检验试块强度，其强度不应小于30MPa。

由于灌浆质量的好坏直接关系到预应力钢绞线与混凝土的粘结效果以及结构的耐久性，因此施工过程中必须从每一个环节上进行严格控制。

3.3.3张拉端锚固

灌浆后张拉端锚具用与结构同强度等级的混凝土封堵，为保证耐久性，外露钢绞线的保护层厚度不小于30mm，后浇的混凝土必须振捣密实。

图7张拉后预应力筋截断及锚固端封口固定

3.3.4排气孔的留设

本工程预应力束均采用曲线配筋，为防止曲线最高点滞留空气导致灌浆不密实，要求在所有曲线的波峰点均布置排气孔。

4结语

后张有粘结预应力技术用于单向或双向框架梁结构，适用跨度为12～40m，高跨比为1/18～1/25。在高层楼盖建筑中采用扁管技术可在保证净空的条件下显著降低层高，从而降低总建筑高度，节省材料和造价；在商业购物中心大楼的多层、大面积框架结构中采用有粘结技术不仅可以增大室内空间，还可提高结构性能、节省钢筋和混凝土材料，降低建筑造价等。