预应力混凝土转换梁分三批张拉的反拱性能研究

预应力混凝土转换梁分三批张拉的反拱性能研究

深圳益田村1号地块由5栋27.31层住宅组成。两层地下车库，一层高架（图1）。中心花园形成了一个有10000米长的花园，中间的庭院形成了一个开放空间。因架空层景观需要,各塔楼在5.770m标高处各设4榀有粘结预应力混凝土转换大梁,跨度为6.8m,C40混凝土,梁截面为b×h=1.6m×1.5m,支座处加腋高度300mm。转换梁跨中设一柱承担上部26～30层荷载。在设计计算时,对转换梁各阶段的受力状况进行了详细的分析,并绘制了大比例的钢筋详图用于指导施工,在分批张拉过程中测试了其中一榀转换梁的反拱情况。至2000年1月全部转换梁张拉(各梁均分3批张拉)完毕,2000年3月结构封顶,转换梁表现良好。一、预制梁设计1.基本考虑(1)转换梁的使能力极限状态工程中转换梁两端支撑在剪力墙上(见图1),结构形式较简单,梁、墙节点为刚接。由于转换梁是特别重要的构件,需具有足够的安全度,同时又要兼顾经济性,在转换梁的使用极限状态与承载能力极限状态两阶段的设计中,我们对梁、墙节点做了不同的考虑:在使用极限状态阶段设计中,梁两端按刚接处理。由于该梁控制截面在跨中,可使预应力筋用量不致过多;支座处承载能力极限状态验算时,梁两端按刚接处理;跨中处承载能力极限状态验算时,梁两端按铰接处理。由于跨中截面的强度是按梁简支来考虑的,使得转换梁在强度上具有足够的安全储备。(2)混凝土拉应力来源转换梁为C40混凝土,ftk=2.45N/mm2,使用极限阶段设计抗裂控制较严:按荷载的长期效应组合计算时,其受拉边缘混凝土不应产生拉应力;按荷载的短期效应组合计算时,则允许产生拉应力,但不应超过αctγftk,且αct=0.5,即:按荷载的短期效应组合计算时,应符合σsc-σpc≤αctγftk=2.14N/mm2(γ取1.75);按荷载的长期效应组合计算时,应符合σsc-σpc≤0。(3)预应力筋张拉和拉紧分阶段张拉在设计上可优化转换层结构。转换大梁上承受的层数较多时,采用分阶段张拉可使转换梁的高度保持一个绝对最小值。梁的高度大小对挠度和反拱较敏感,在采用较小截面高度时,只有分阶段张拉才能保证施工和使用阶段转换梁基本处于平直状态,既无过大反拱又无过大挠度。在满足承载力和刚度要求的前提下,转换梁的截面高度较小时对抗震是有利的。工程施工时转换梁预应力筋分三批张拉,即浇筑完转换层(达到100%设计强度后)张拉第一批钢绞线,浇筑完第十层张拉第二批,浇筑完第二十层张拉第三批。在验算使用阶段性能时,需计算6种工况:在竖向荷载最不利时,裂缝控制计算分别有3种工况,即上部作用10层(此时仅张拉完第一批预应力筋)、20层(此时张拉完第二批预应力筋)、31层(此时张拉完全部预应力筋)荷载;梁在各施工阶段预加应力后的最不利裂缝控制计算也有3种工况,即上部无荷载,上部分别作用10层和20层荷载。以上6个工况的混凝土应力均控制在上述的范围内,则施工全过程及正常使用阶段均可满足要求。2.转换梁的内力为稳妥起见,分别用TAT,SATWE两种结构分析程序分别计算了转换梁在10,20,31层荷载作用下的内力(转换梁与墙按刚接、铰接分别计算转换梁的内力)。TAT程序计算结果(刚接情况)见表2。3.预应力筋张拉过程经反复试算,转换梁截面尺寸为1600mm×1500mm,支座处加腋1000×300,C40混凝土,共配预应力钢绞线12-6ϕj15.24,强度等级1860MPa,单根面积Ap=140mm2,张拉控制应力σcon=75%fptk=1395MPa,一端张拉。分三批张拉,每批张拉4-6ϕj15.24。预应力筋布置情况见图2。由PRCS预应力程序计算分批张拉时各阶段转换梁的有效预应力值、等效荷载、综合弯矩、次弯矩。表1是各阶段有效预应力值,由表可见,张拉后一批预应力筋,会使已张拉完毕的预应力筋的有效应力值降低,这是因构件在预压应力作用下缩短所致。一般情况下补张拉前批预应力筋可提高有效应力值,但本工程转换梁长度太短,锚具回缩影响很大(由固定端应力高于张拉端可看出),无补张拉价值。预应力筋产生的综合弯矩见表2。表2为转换梁竖向最不利荷载时及最不利预加应力时截面边缘混凝土应力的计算过程。由表可见,竖向最不利荷载时在施工到十、二十层时混凝土边缘出现不大于1.0N/mm2的拉应力,全部施工完毕后混凝土边缘应力均为压应力。预加应力最不利时各阶段基本为压应力。满足设计控制要求。4.预应力筋和主要参数支座处承载能力极限状态验算,梁两端按刚接处理;跨中处承载能力极限状态验算,梁两端按铰接处理。跨中截面:M恒=8703.3kN⋅m‚M活=1039.8kN⋅mM风=623.5kN⋅m‚M次=260.0kN⋅mM设=1.2M恒+1.4M活+1.4M风+1.2M次=13084.6kN⋅mΜ恒=8703.3kΝ⋅m‚Μ活=1039.8kΝ⋅mΜ风=623.5kΝ⋅m‚Μ次=260.0kΝ⋅mΜ设=1.2Μ恒+1.4Μ活+1.4Μ风+1.2Μ次=13084.6kΝ⋅m跨中截面配筋见图2所示,梁底通长配32○⊥25,梁面通长配38○⊥25Ⅱ级钢筋,fy=fy′=310N/mm2,预应力钢绞线的强度等级为1860MPa,规格为ϕj15.24,单根面积为Ap=140mm2,设计强度fpy=1260N/mm2。C40混凝土,fcm=21.5N/mm2,经计算,混凝土的受压区高度x=343mm,h0=1340,x/h0=0.255,满足要求。截面抗弯能力:fcmbx(h0-x/2)+fy′As′(h0-as′)=21072kN·m>13084.6kN·m,满足要求。预应力度λ=fpyAp/(fyAs+fpyAp)=72×140×1260/(32×490.9×310+72×140×1260)=0.72预应力度λ偏高一些,但本建筑物属剪力墙结构体系,抗震的耗能机制主要靠剪力墙本身和连梁来实现,少数几根梁的延性差一些,不会影响到整栋建筑物的抗震耗能状况;而转换梁的抗裂要求高,预应力筋的数量不宜再减少。配筋率μ=(72×140×1260/310+32×490.9)/(1500×1600)=2.36%<2.5%,满足要求。支座截面M恒=4787.3kN·m,M活=573.2kN·m,远小于跨中截面,可见承载能力极限状态验算时的关键截面是跨中截面,支座截面具体计算过程略。支座截面配筋见图2(b),考虑到梁柱节点钢筋很多,图中对梁面钢筋的弯折方向作了明确的规定。二、梁筋绑扎及张拉预应力转换层结构的施工与常规的预应力框架等结构不同,所要注意的问题有以下几个方面:1)转换层结构预应力工程施工难度较高,施工方案、埋设波纹管、铺设预应力筋、预应力张拉等要求都比一般预应力工程高;2)模板及支架的搭设尤为重要,绝对不允许出现模板支架的局部或整体失稳;3)钢筋密、规格大,钢筋放样要求准确,不允许出现差错导致返工困难,甚至无法返工;4)绑扎普通钢筋时,应保证预应力筋与普通钢筋的位置不发生矛盾,梁柱节点处的钢筋更密,在绑扎柱主筋时应考虑到波纹管能够通过;5)转换结构的混凝土属大体积混凝土施工,对配合比、温度控制更加严格。总之,对预应力转换层结构的施工,除预应力本身的难度外,对模板、钢筋、混凝土工程等也有相当高的配合要求。1.钢筋工程剪力墙筋定位:转换梁本身的含钢量大、主筋多、布置密,而且剪力墙又在该层变换截面,因此在梁墙节点处有上百根主筋“相聚”,加上预应力波纹管、腰筋、吊筋、水平分布筋等。众筋抢位的现象十分突出。任何一根剪力墙筋的就位错误,均会造成大量的返工甚至无法返工。因此,准确的放样和下料,合理地安排好墙筋位置均十分重要。本工程的做法为:事先绘制大比例(1∶10)的梁墙节点大样图,定出钢筋间距(见图3示意,限于图幅,部分尺寸未表示),使墙筋的间距与穿墙波纹管的间距一致,对妨碍波纹管位置的墙主筋及其他钢筋作相应调整。墙筋应严格按图纸绑扎。梁筋绑扎:预应力转换层结构中预应力筋是主要的受力钢筋,因此梁筋绑扎的原则是“普通钢筋服从预应力波纹管,波纹管依靠普通钢筋”,在绑扎普通钢筋时让出波纹管孔道位置。梁筋绑扎的顺序为:绑扎梁面主筋、梁底主筋,箍筋先全部放入,每隔1m先绑扎固定一道箍筋,其余箍筋先不绑扎,集中到一边;波纹管放线、焊定位钢筋;穿入预应力筋;绑扎波纹管,留灌浆排气孔;绑扎腰筋、水平分布筋、S筋、吊筋、箍筋;封两侧模板。因转换梁箍筋密(@100),为便于施工,箍筋先全部穿入,但每隔1m先固定一道,其余箍筋先集中到一边,以便人员钻入钢筋笼内安放波纹管。腰筋、水平分布筋、S筋要在预应力筋绑扎完毕后最后再绑扎,否则难以保证曲线预应力筋的形状。梁上部波纹管、主筋密集,为保证浇筑混凝土质量,钢筋绑扎时在钢筋密集处专设一些振捣棒插入眼。2.混凝土工程浇筑混凝土前重点检查普通钢筋、预应力筋的数量及位置是否准确。转换结构的混凝土属大体积混凝土施工,对配合比、原料选择、掺外加剂、温度控制、养护等多方面加以控制,以控制混凝土的收缩裂缝。振捣时采用分批浇筑方式,每批厚度控制在50～60cm,采用振捣器分批振实,对钢筋密集区、预应力筋张拉端等部位应特别注意振捣密实,不得漏振,必要时辅以钢钎捣固和锤击敲振的方法。振捣器避开波纹管插捣,防止漏浆,避免随意用钢管撬动钢筋,以免将波纹管撬瘪。4.预应力筋张拉由于转换梁养护至100%强度时,上部已施工5层(本工程每月施工5层左右),因此第一批张拉时转换梁已承担5层荷载。经计算,转换梁仅普通钢筋可承担10层的荷载,故在张拉第一批预应力筋时将梁的支撑、模板拆除。第一、二批张拉在楼板底进行,第三批在楼板张拉槽中进行,空间狭小,无法采用群锚千斤顶进行张拉,故采用小型千卡式千斤顶,每榀梁用两台千斤顶同时对称张拉。转换梁预应力筋均为一端张拉一端固定,固定端部分(内埋式挤压锚具)长度有所差异,各预应力筋的总长度有所不同,预应力筋的理论伸长值为40～44mm,预应力筋张拉实际伸长值允许范围为38～49mm。经测试,实际值均在该范围内。5.预应力筋防锈及孔道灌浆转换梁中预应力筋从埋设到张拉完毕通常在一个较长的时间内完成(本工程从1999年9月18日开始埋设到2000年1月25日全部张拉完毕,约4个月时间),预应力筋的防锈是必须认真处理的问题。我们的处理方法为:预应力筋埋设完毕,即用5层塑料薄膜包裹外露的预应力筋,并用废水泥袋彻底封堵锚孔,防止在浇筑混凝土及养护期间预应力筋生锈;将12-6ϕj15.24分三批张拉,每批4-6ϕj15.24一次张拉到设计控制应力,每批张拉完毕即进行孔道灌浆。这样使得所配置的预应力筋均只经过一次张拉,张拉前处于全长封闭状态,张拉后随即得到灌浆处理,预应力筋不会生锈。三、预制梁测试1.转换梁上的荷载选取一榀转换梁,测其在张拉第一、二、三批预应力筋时的反拱。这时,转换梁上部分别作用了5,10,20层荷载。采用百分表进行测量,梁跨中设3个测点。测试装置及各测点位置见图4。2.预应力筋张拉在预应力筋张拉前,进行第一次测量(每点测一次,分析时取平均值,下同);在每批预应力筋(4-6ϕj15.24)张拉完2-6ϕj15.24后,进行第二次测量;在每批预应力筋张拉完毕后,进行第三次测量。3.张拉过程中梁的变形三次测试结果见表3,反拱值分别为0.25,0.36,0.19mm。从测试过程及结果看:(1)测试值反映的是转换梁在预应力等效荷载作用下向上的反拱,由于测试时对上部结构的施工荷载难以准确计算,故测试值无法与计算值比较。但反拱值的数量