43洪硕钊-重庆市人民大厦预应力转换梁施工.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 重庆市人民大厦预应力转换梁施工 洪硕钊 秦士洪 黄音 刘建明 史国柱 刘大海 （重庆大学土木工程学院，重庆 400045） （北京城建集团重庆分公司，北京 100081） 提 要 为保证大体积混凝土预应力转换梁的施工质量，防止和控制在张拉前出现裂缝，对混凝土的浇筑工艺、温度及裂缝控制方法作了认真分析研究，并进行了理论计算和施工过程温度监测，取得了较好的实际效果。文中还结合转换梁的预应力施工特点进行了介绍，最后给出了参考建议。 关键词 预应力转换梁，大体积混凝土，浇筑工艺，温差计算，施工顺序 1工程概况 重庆人民大厦工程由北京城建集团重庆分公司施工总承包，重庆大学超越结构工程公司分包预应力专项施工。该工程位于重庆市渝北区加州花园红锦大道3-2号地块，处于渝北区新确立的行政中心区核心地带。该工程南北长135.0米，东西长104.5米，总建筑面积55300平方米，占地面积9434平方米。建成后将成为重庆市标志性建筑之一。工程的Ⅰ、Ⅲ标段（酒店和办公楼部分）在14.950m标高、②～⑤轴/、、轴线上设置了三根预应力转换大梁，轴跨均为24m，转换梁承托了上部八层框架结构，、轴线转换梁截面为2.02.5m，轴线转换梁截面为2.42.5m。预应力筋配筋分别为3排610 和3排712高强低松弛钢绞线，其强度标准值，混凝土强度等级C50。该转换梁不仅承受的荷载巨大，其跨度和截面尺寸也很大，属大体积预应力混凝土，因而成为本工程的质量关键部位之一。 2大体积混凝土施工主要技术问题 大体积混凝土结构的施工特点一是整体性要求较高，往往不允许留设施工缝，一般都要求连续浇筑；二是结构的体量较大，浇筑后的混凝土产生的水化热量大，并聚积在内 洪硕钊，男，1985.1出生，工学学士，助理工程师 部不易散发，从而形成内外较大的温差，引起较大的温差应力，往往造成构件开裂。因此，大体积混凝土施工时，应合理确定混凝土浇筑方案，采取有效的技术措施降低混凝土内外温差。 2.1混凝土的浇筑工艺 根据预应力转换大梁整体连续浇筑的要求，在下层混凝土初凝前上层混凝土应覆盖并振捣密实，不致形成施工缝，影响转换梁的性能。施工时采取了分层浇筑、分层捣实的施 工方法。分层浇筑、分层捣实有利于水泥水化热的散失，增加混凝土的密实度，提高抗裂能力。浇筑时，梁下柱混凝土浇平梁底后，按每层600mm厚度浇捣，浇筑一根转换大梁的一层混凝土后，再浇第二根梁，然后浇第三根梁，然后循环，重复直至浇到板底，然后再从梁一端向另一端平行浇楼板混凝土。 混凝土振捣采取人工振捣和机械振捣、内部振动和外部振动相结合的方式。振捣过程中，振动器插点要求均匀连续排列，快插慢拔。“快插”是为了防止先将混凝土表面振实，与下面混凝土产生分层离析现象；“慢拔”是了为使混凝土填满振动棒抽出时形成的空洞。为了强化振动效果，由专门人员在模板外侧用铁捶、平板式振动器振动梁模板。在钢筋密集区域采用在振动棒上焊钢振动片进行振捣。为了防止混凝土浇筑后产生龟裂，提高混凝土表面的抗渗性能，在初凝前2-3h，进行二次振捣多次滚压收光，使其表面密实，减少表面裂缝。由于端部区域内钢筋密集，所以端部混凝土采用细石混凝土，用直径25mm（或30mm）的振捣棒振捣，50mm振捣棒辅助。振捣棒插不进的部位，则采用Φ16或Φ18钢筋棒进行人工插振捣，具体方法在未下混凝土前，在不能下棒的地方先把钢筋棒插下，根据现场情况，每个端部至少插5根钢筋棒，每根钢筋棒可派一人振捣。振捣密实的标准是上下蠕动手感像是插入棉花糖中，向上提有一点吃力。并在有预应力筋波纹管的位置注明标记，防止振捣棒打破预应力波纹管。预应力转换梁截面尺寸大，一旦出现中间孔道漏浆的情况，则很难处理，因此，在大体积混凝土的浇筑振捣过程中对波纹管的保护是非常重要的。 2.2温度及裂缝控制 根据工程经验和国内外的调查资料，混凝土结构物的裂缝原因，属于由变形变化（温度、收缩、不均匀沉陷）引起的约占80以上；属于由荷载引起的约占20左右[1]。在大体积混凝土结构中，温度变化不但可能引起裂缝，对结构的应力状态也具有重要影响，有时温度应力在数值上可能超过荷载引起的应力[2]。所以在施工过程中应严格控制混凝土浇筑时水泥水化热引起的温升及混凝土的内外温差，防止出现较大温度应力和有害的裂缝。 2.2.1裂缝成因分析 温度裂缝是由于结构构件的截面尺寸较大，在浇筑及硬化期间由于水泥水化产生巨大的水化热在短时间内无法散失，使混凝土内部温度迅速上升，表面由于散热较快，温度较低，从而出现混凝土内外温差过大，在混凝土内部产生压应力，在表面产生拉应力。且往往此时混凝土的龄期较短，抗拉强度较低，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝。 在混凝土浇筑完毕4～15d左右，水泥水化热基本上已经释放，出现了水分急剧蒸发。在掺入混凝土的拌合水中，大约只有20的水分是水泥水化反应所必需的，其他的自由水在混凝土的硬化过程中都蒸发了，此时骨料与胶合料之间产生了不均匀的收缩变形，温度降低也会引起混凝土的收缩变形。受到结构自身及其他外部的约束，结构内部会产生巨大的收缩应力（拉应力）。当约束拉应变超过混凝土的极限拉伸值时，就会产生收缩裂缝。本工程施工时正处于高温、干燥的8月份，在浇筑混凝土时，表面混凝土由于温度高、水分蒸发量大而很快变硬，但内部混凝土还没有硬化，内外混凝土变形不一致，当内部混凝土变形达到一定程度时，表面混凝土就会被拉裂。 2.2.2防裂技术措施 在大体积混凝土内部一旦出现裂缝，要通过修补以恢复结构的整体性实际上是相当困难的，所以应以预防控制为主。有效方法一是要控制混凝土内部绝热温升；二是要混凝土的抗拉强度和极限拉伸变形能力较大、热强比较小、线胀系数较小，自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩[2]。下面从混凝土的原材料、配合比、初凝时间、坍落度、中心温度、表面温度和温度应力等几方面简述具体措施。 2.2.3混凝土原材料 由表1可知，在相同强度下普通硅酸盐水泥的水化热要比矿渣硅酸盐水泥的水化热要大得多。因此，在水泥用量、强度相同的条件下，选用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥，可以减少水化热从而有效地控制了混凝土的温升。本工程实际采用42.5R矿渣硅酸盐水泥。 表1不同水泥品种的水化热 水泥品种 水泥等级 每kg水泥的水化热（kJ） 3d 7d 28d 普通硅酸盐水泥 52.5 314 354 375 42.5 250 271 334 32.5 208 229 292 矿渣硅酸盐水泥 42.5 180 256 334 32.5 146 208 271 选用连续级配的粗骨料，严格控制细骨料和粗骨料的含泥量，因为含泥量过大可能导致混凝土的收缩量增大，甚至降低混凝土的强度。在保证混凝土的强度和拌合物坍落度要求的前提下，提高骨料的含量，还可以降低混凝土中水泥的用量，减少水化热。实际细骨料采用混合砂，为60特细砂与40机制砂混合，细度模数2.3，含泥量1.4；粗骨料采用5～10mm的碎石，含泥量0.7。 掺加矿渣粉，可节省水泥从而降低水化热，并且可以提高混凝土的和易性，大大改善混凝土的工作性能（可泵性）。膨胀剂采用ZY型，泵送剂选用JX型。 大体积混凝土配合比的设计，在保证设计所规定的强度、耐久性等要求和满足施工工艺要求的工艺特征的前提下，应符合合理使用材料、减少水泥用量和降低混凝土的绝热温升的原则，并应考虑工程具体特点和施工时的气候情况。实际采用的配合比如表2所示。 表2混凝土配合比 材料名称 水泥 细骨料 粗骨料 水 外加剂 矿渣粉 膨胀剂 Kg/m3 380 620 1152 170 4．89 80 29 质量比 1.000 1.632 3.032 0.447 0.013 0.211 0.076 混凝土入模坍落度在160～180，初凝时间不小于8小时。 2.2.4混凝土内外温差计算 ⑴ 混凝土绝热最高温升 混凝土的绝热最高温升可按以下公式（1）进行计算[1] 1 式中，为水泥用量kg/m3；为水泥水化热kJ/kg；为混凝土比热kJ/kg℃；为混凝土密度kg/m3。计算得53.28℃ ⑵ 混凝土内部中心点的最高温度 混凝土实际不可能处于完全绝热状态，实际最高温度必然小于绝热最高温升。由于结构散热边界条件比较复杂，要准确计算混凝土浇筑后的“非绝热温升”十分困难，在工程实用上也无此必要。下面的公式（2）及（3）由理论和经验相结合得到[4] （2） （3） 式中，为混凝土浇筑时温度℃； 为不同浇筑厚度在τ龄期时的温降系数；为τ龄期时混凝土的绝热温升℃；为与水泥品种、浇筑温度有关的经验系数； 本工程实际浇筑温度为24℃，龄期3d时的温降系数＝0.65，龄期7d时的温降系数＝0.61，计算得混凝土内部中心点最高温度℃，℃ ⑶ 混凝土表面温度 影响混凝土表面温度为因素有很多，如混凝土本身的物理性质、养护条件及外界气温变化等。以混凝土中心温度最高，边界处的温度为气温，中间按二次抛物线变化，可建立混凝土的表面温度计算公式[4]（4） （4） 式中各符号含义见文献[4]。本工程中，采用了蓄热保温保湿，在大梁上先铺两层麻袋浇湿，上盖塑料薄膜进行养护。计算得混凝土表面温度℃，℃ 大体积混凝土施工宜控制混凝土的内部最高温度与表面温度温差不大于25℃[5]。本工程中理论计算所得的混凝土内部的最高温度与表面温度之差为15.6℃，满足要求。 2.2.5混凝土温度应力计算 混凝土的温度应力按如下步骤计算[5]混凝土各龄期收缩值→混凝土收缩当量温度→混凝土各龄期弹性模量→混凝土最大综合温差→混凝土各龄期收缩应力。计算结果如表3所示。 表3混凝土温度应力计算 龄期 各龄期收缩值 收缩当量温度 各龄期弹性模量 最大综合温差 各龄期收缩应力 3天 0.159910－4 1.6℃ 0.828104N/mm2 23.89℃ 0.464 N/mm2 7天 0.365810－4 3.7℃ 1.636104 N/mm2 34.81℃ 1.177 N/mm2 图1 测温点布置示意图 为防止开裂，大体积混凝土温度应力应满足。表中混凝土的最大收缩应力N/mm2，混凝土的抗拉强度 N/mm2，算得，满足要求。 表4转换梁测温结果 所测梁 最高温度（℃） 最大温差（℃） 中心 表面 YKL1 72.5 48.2 24.3 YKL2 75.2 51.7 23.5 YKL3 74.3 50.3 24.0 上述理论计算表明，工程中采取的措施可以有效地控制混凝土的内外温差；混凝土的温度应力小于混凝土的抗拉强度，预应力转换梁不会出现因温度应力产生的裂缝。 2.2.6施工过程温度监测 大体积混凝土温度监测应能真实反应混凝土的内外温度差、降温速度及环境温度，并与理论计算进行对比。根据本工程的施工特点，采用电广测温仪进行测温，它比普通测温计更科学，更能准确掌握大体积混凝土内部的温升情况。YKL1、YKL2、YKL3三根梁各设3个测温点，布置在梁的中轴线上。上测点设在梁表面下200mm，中测点设在梁高中央处，下测点设在梁底上200mm处，如图1所示。在混凝土浇筑完毕后，开始进行测温，测温由专人负责，每2h测一次，并认真做好记录，包括各个测温点的温度、混凝土表面的温度和当时的实际气温等。 测温时间从2005年8月23日800开始，至8月30日900结束，环境温度24℃～39℃，混凝土入模温度不大于24℃。测温结果见表4。混凝土的升温速率很快，混凝土浇筑完毕后约3天，中心、表面温度升至最高值，然后逐渐下降。混凝土内部温度最大为80℃，最高温升49℃，水化热达到峰值，维持1～2天后，缓慢降温，平均日降温保持在每天2℃左右。当混凝土中心温度与混凝土表面平均温度相差25 ℃时，可以不再测温。实际温度监测显示，混凝土内部的中心温度与混凝土表面温度小于允许温差25 ℃，但大于理论计算值。 3预应力施工 图2 转换梁钢筋及波纹管绑扎示意图 预应力转换梁的施工难度较普通预应力结构高。其主要技术问题有转换梁截面尺寸及配筋量大，钢筋密集，钢筋与波纹管的绑扎如何交叉协调；预应力束的排数及每排的预应力束数多，张拉力很大，如何选择合理的顺序进行张拉；转换梁自重及上部荷载巨大，下部支撑应具有足够的强度、刚度和稳定性等。 3.1普通钢筋与波纹管的交叉协调施工 在预应力转换梁施工过程中，钢筋的绑扎是非常重要的，钢筋绑扎的质量是预应力转换梁结构性能的重要保证。钢筋绑扎原则是非预应力筋避让预应力筋位置，细钢筋避让粗钢筋位置，所有管道设备应避让钢筋位置，最重要的是要严格保证波纹管的曲线位置。除此之外，交叉顺序也很重要。 本转换梁钢筋及波纹管的绑扎如图2所示，其交叉施工顺序如下铺梁底模→搭设支承梁上层钢筋的找平钢管架和操作架→沿大梁纵向布置大梁外围箍筋，利用找平钢管架临时固定梁外围箍筋→绑扎腰筋1和a空内上下层梁主筋（腰筋和梁主筋均从梁两端向内穿）→①号小箍沿大梁纵向布置就位→穿①号小箍内上下层梁主筋并绑扎→穿a空内的波纹管并按设计曲线进行固定，用Φ10钢筋焊成井字箍与大小箍焊牢，间距控制在500～1000mm→布置②号小箍，穿②号小箍内主筋并进行绑扎→穿b空内波纹管并按a管内的固定方法进行固定→按类似方法一直绑扎到⑤号小箍。 ⑥号小箍内主筋绑扎完毕后绑扎腰筋2，最后穿g空内的波纹管，并进行固定。最后穿水平拉钩筋并绑扎，如个别拉钩位置被波纹管挡住，可移动其位置。需要注意的是，由于波纹管是固定在钢筋骨架上，因此普通钢筋尤其是箍筋的尺寸和绑扎定位一定要准确，最好一次到位，否则整体钢筋骨架绑扎完成后就很难调整。普通钢筋的骨架要边绑扎、边放好底部垫块，垫块宜采用强度高的花岗岩，以防垫块被重量巨大的钢筋骨架压碎而影响波纹管的矢高。 3.2张拉端部临空侧边的加强措施 虽然转换梁的截面尺寸较大，但由于预应力束配置较多，靠梁侧的预应力束距侧边较近，这对于梁与剪力墙柱（支座）边缘齐平的YKL1转换梁（位于建筑边），则出现了梁端锚具距临空侧边较近的情况，虽然理论计算其局部承压可以满足规范要求，但从构造角度看是危险的，工程中类似情况的局部承压破坏已有发生。为保证安全，在YKL1梁端临空侧设临时加强腋，宽150mm，厚300mm，高同梁高，内配传力构造钢筋。因张拉锚固后梁端预应力下降，故待灌浆达到强度后就可凿掉。实施效果较好，未出现局部承压破坏情况。 3.3张拉顺序问题 本转换梁的预应力束配置多达3排21束，按常规是根据上部荷载情况分阶段进行张拉，但这样施工十分不便，对转换梁下的支撑体系要求也较高。经验算一次性全部张拉产生的反拱值以及上部所有荷载作用产生的桡度值都不大，故采用一次性全部张拉方案。张拉顺序的原则是先上排后下排，先内束后外束、对称进行，以尽量减少预应力损失。 4结论 大体积混凝土施工中控制裂缝的开展应从降低温度应力着手，可通过掺加外加剂，降低水泥用量和水用量，优化混凝土配合比。而提高混凝土搅拌、运输、浇筑、振捣等操作质量和养护质量则是避免大体积混凝土产生裂缝的有效措施。施工和养护过程中进行严格测温控制，是控制大体积混凝土质量的有效手段。在本例中通过事先计算而采取相应的裂缝控制方案，对施工过程中进行科学的指导，成功地控制了深层次裂缝和贯穿裂缝的产生。 从本工程的裂缝控制的成功实践可以得出以下结论和建议 1 截面尺寸较大的转换构件宜按大体积混凝土施工，需考虑混凝土收缩及水化热问题，在选用水泥方面和施工方法上，应采取防止混凝土内外温差过大和提高混凝土抗拉强度的措施。 2 大体积混凝土的温度裂缝的控制，重点是原材料的选择及配合比的设计，分析施工的复杂程度及技术条件, 选择确定合理的温度计算公式，必须进行大体积混凝土温度应力计算，做到心中有数，相应采用有效的措施，降低混凝土内部的水化热。大体积混凝土的温度应力计算结果只能作为参考，但对制定施工措施有指导意义。 3 对大体积混凝土采取了相应的保温方案，并对大体积混凝土的温度进行电子监测，通过大量的工程实测数据分析认为我国规范对大体积混凝土内外温差控制得较严，规范规定混凝土内外温度差应不小于25℃，结合工程实践，建议混凝土内外温度差可以放宽到30℃。 4 转换梁的截面尺寸及配筋量大，钢筋十分密集，钢筋与波纹管的绑扎应交叉顺序施工；普通钢筋的骨架的尺寸和定位要准确，才能保证波纹管的矢高准确和曲线圆滑。 5 转换梁的预应力束的排数和束数较多，应综合考虑来选择张拉阶段和张拉顺序，既要满足各阶段的验算，又要简化施工，缩短工期。 在大体积混凝土结构的施工过程中，须采取一系列有效的措施。这些措施并非孤立的，而是相互联系、相互制约的，必须结合实际、合理采用，才能起到良好的效果。对于应用广泛的大体积混凝土工程，需要不断总结经验，完善措施，使其走上成熟化、规范化的道路。 参 考 文 献 [1] 王铁梦，工程结构裂缝控制，北京中国建筑工业出版社，1997 [2] 朱伯芳，大体积混凝土温度应力与温度控制，北京中国电力出版社，1999 [3] 雍本，特种混凝土设计与施工，北京中国建筑工业出版社，1993 [4] 罗国强，罗刚，建筑施工中的结构问题，北京中国建筑工业出版社，1997 [5] 洪硕钊，重庆人民大厦预应力转换梁施工的若干重要技术问题（学士学位论文），重庆大学，2006 [6] 何星华等，建筑工程裂缝防治指南，北京中国建筑工业出版社，2005 [7] 中华人民国和国国家标准，混凝土结构工程施工质量验收规范，GB50204-2002