框架结构是工程中应用最广泛的混凝土结构体系之一, 按照施工方式的不同, 可分为预制混凝土框架结构与现浇混凝土框架结构。现浇混凝土结构是在施工现场绑扎钢筋并浇灌混凝土, 预制混凝土结构则是在工厂制作预制构件并运至现场完成拼装。与现浇混凝土结构相比, 预制混凝土结构可减少现场湿作业, 施工效率高, 施工质量好, 同时可提高资源利用率、减少建筑对环境的不良影响, 是实现建筑节能减排及住宅产业化的有效途径^[1]。

目前, 随着建筑功能和使用要求的不断提升, 大开间、大荷载混凝土结构需求剧增, 使得常规预制混凝土框架结构的应用受到一定程度的限制。装配整体式预应力框架结构体系将预制混凝土结构与预应力混凝土技术相结合, 具有刚度大、自重小、抗裂性能好等优点, 弥补了预制框架结构应用范围上的不足^[2]。国内外学者目前已对装配整体式预应力混凝土框架结构的抗震性能开展了一系列研究, 但仍存在试件设计未考虑楼板对叠合梁截面刚度的影响、预应力筋仅分布在叠合梁而不通过节点区等局限^[3,4]。

基于此, 本文提出了一种预应力T形叠合梁采用穿过节点核心区的后张预应力筋的新型预制预应力混凝土框架结构体系, 介绍了连接钢筋精确定位、预制多层柱设计与施工、预应力筋穿筋与张拉等一系列建造技术, 并以某项目为依托进行了示范应用。

装配整体式预应力混凝土框架结构体系由预制柱、后张预应力叠合梁和现浇节点核心区组成。其中, 预制框架柱竖向钢筋采用灌浆套筒连接;预制框架叠合梁中预埋曲线形波纹管, 梁柱节点通过现浇混凝土连接;最后通过后穿预应力筋、张拉、灌浆施加预压力, 形成装配整体式预应力混凝土框架结构体系, 如图1所示。

该体系中预应力筋穿过梁柱节点区域连续布置, 在节点域和距梁端1倍梁高范围内, 预应力筋布置在梁截面上部, 且为无粘结直线布置;在框架梁其余部分预应力筋则采用有粘结曲线布置, 并在跨中靠近梁截面的下部。采用此种后张、连续、部分粘结的曲线形预应力筋既能避免在框架梁端塑性铰受力复杂区域预应力筋提前发生屈服, 又更符合预制梁的受力性能, 同时能起到提高结构整体性的作用。

为验证体系抗震性能, 同济大学系统开展了该体系足尺节点模型的低周反复荷载试验, 并对试件承载力、破坏形态、滞回特性、延性与变形能力、刚度退化和耗能能力等进行了对比分析, 试验证明装配整体式预应力混凝土框架节点满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震设计要求, 其抗震性能等同于甚至优于现浇^[5]。

某项目位于上海市青浦区, 地上2层, 为混凝土框架结构, 建筑高度8.5m, 建筑面积1 200m², 其中横向最大柱间距12.6m, 纵向柱间距5.4m, 建筑模型如图2所示。

结构采用装配式施工方法建造, 为装配整体式预应力混凝土框架结构体系在大跨结构中的首次应用, 预制构件包括预制柱、叠合梁、叠合板和预制楼梯, 预制率达80%以上。

1) 为提高预制构件吊装效率, 同时减少灌浆套筒使用数量、降低成本, 本工程采用多段柱技术。预制多段柱的设计应满足施工吊装要求, 预制柱节点区 (节段处) 的处理为设计重难点问题。

2) 采用预制多段柱技术会带来中间层节点处预制梁的吊装空间有限问题, 导致预制梁无法安装, 深化设计应予以考虑。

3) 为解决大跨框架梁截面过大问题、降低安装措施费, 同时提高建筑净高, 本工程长跨方向的框架梁选用预制预应力梁, 加大了叠合梁设计尤其预应力线型设置的难度。

4) 梁柱节点区域存在大量的梁柱交叉纵筋, 钢筋布置和连接较为困难, 深化时需对梁钢筋进行排布, 避免构件安装时的钢筋冲突。

本工程柱全高约9.0m, 共2层, 采用多段柱技术将1层与2层柱一体预制, 中间梁柱节点区 (节段处) 后浇。为避免多段柱节段处在生产、施工过程中发生变形或失稳, 对其各阶段受力予以单独验算, 若多段柱节段处钢筋强度及稳定性不足, 则根据计算要求在节段处加设交叉斜筋进行补强 (见图3) 。

同时, 针对预制多段柱中间层节点处预制梁的吊装空间不足问题, 提出了多段柱交叉布置技术, 即任意相邻2个预制柱不同时采用预制多段柱, 布置如图4所示, 为预制梁的吊装留设足够的操作空间, 方便现场施工, 提高施工效率。

本项目地上部分所有梁均采用叠合梁, 由预制梁和现浇钢筋混凝土层叠合而成, 叠合梁预制部分可作为现浇部分的模板, 节约了传统现浇梁木模板, 仅在梁底设置可重复使用的钢支撑即可, 提高了建筑耗材使用周转频率和施工效率。

长跨方向的框架梁采用了后张预应力技术, 截面设计高度大大降低, 为800mm, 其中下部650mm预制, 上部150mm现浇。预应力筋在梁中采用曲线布置, 在构件加工时通过预埋波纹管实现孔洞留设。

叠合梁梁端、上表面均设置凹凸≥6mm粗糙面, 以保证新旧混凝土结合面良好黏结;梁端留设键槽, 增大梁端竖向接缝抗剪承载力。

体系梁柱节点均采用现浇, 为刚性连接节点, 可按等同于现浇原则进行设计。

采用多段柱时, 中间层框架梁预制至距柱边1.5倍梁高范围处, 并在该处设置直螺纹连接接头, 预制柱两侧叠合梁底部伸出钢筋, 通过该直螺纹连接接头实现连接;中间层预制梁端部节点, 梁底伸出钢筋通过直螺纹连接接头接长, 利用螺栓锚头锚固于梁柱节点, 如图5所示。

预制构件端部均有预留钢筋伸出, 钢筋的定位精度、合理排布会对后期安装效率产生较大影响。本项目在深化设计阶段利用BIM技术对梁柱节点核心区钢筋位置、预应力波纹管定位、预埋件与钢筋位置等进行了碰撞检查 (见图6) , 有效避免了钢筋碰撞问题。

预制柱采用钢筋灌浆套筒连接。套筒内径较连接钢筋直径仅大10mm, 基础插筋定位准确性对预制柱吊装的效率及其连接可靠性有重大影响。由于现场施工钢筋笼绑扎精度不高, 后期模板支设、混凝土浇筑与振捣等工序又会对钢筋产生一定的扰动, 为钢筋定位精度带来不利影响, 因此需制订专项施工方案解决钢筋定位准确性问题。

本项目开发了一种用于柱纵筋精确定位的定型化定位钢板与可调式插筋定位器^[6], 施工前按照柱主筋位置及规格在钢板上预先开设圆孔, 圆孔直径略大于钢筋直径2mm, 施工时通过将钢筋插入圆孔进行限位, 保证钢筋定位精度。混凝土浇筑完成并达到初凝强度后再对定位器进行回收利用。定型化定位钢板如图7所示。

预制多段柱质量较大, 本工程中单个预制多段柱构件重达7t, 其翻身、起吊需制订专项施工方案。

1) 预制多段柱翻身、起吊预制多段柱的脱模、转运、翻身、吊装均使用汽车式起重机完成。其中, 脱模及转运采用铁扁担, 通过预制多段柱柱身侧边所埋设的4个吊环进行起吊。翻身时, 先在预制柱上挂设软爬梯, 之后汽车式起重机主、副钩分别勾住柱顶吊环及下节段柱柱身吊环, 进行节段柱空中翻身, 翻身至一定角度后, 构件下落至柱底部接触地面, 此时工人通过软爬梯将柱身侧边挂钩摘去, 通过柱顶端吊环完成翻身。

2) 预制多段柱安装 (1) 预制柱安装前, 对基础顶面及插筋进行清理, 并对基础顶面进行标高抄测, 之后通过垫设垫块完成预制柱高程调节。 (2) 预制柱安装时, 首先在基础地面放出轴线, 并在预制柱上弹出对应轴线。预制柱下落过程中, 通过套筒插入进行初步定位, 套筒全部插入后缓慢下放, 使轴线与预制构件弹线对齐;之后安装临时支撑, 支撑安装稳固后摘去挂钩, 再通过临时支撑的调节装置对柱垂直度进行微调。 (3) 预制柱安装完成后尽快进行套筒灌浆, 灌浆时需施工人员及监理工程师全程旁站。预制多段柱施工过程如图8所示。

预应力筋定位直接关系到预应力实施能否达到设计效果, 因此需严格保证预应力筋在梁中位置。

预应力筋定位尺寸选取预应力钢绞线中心至梁顶、底面的垂直距离。预应力钢绞线在定矢高前先进行梁箍筋绑扎, 然后根据设计图纸进行矢高钢筋定位及固定。定位钢筋的固定应考虑到支架钢筋本身和波纹管尺寸。预应力筋铺放完成后方可封闭模板, 在梁端模板相应位置留置预应力筋通过洞口 (见图9) 。

梁内预应力筋位置按设计图中矢高图准确定位布置时, 应特别注意关键点坐标位置。为保证预应力筋矢高, 普通钢筋绑扎位置必须准确到位。预应力筋矢高与普通钢筋相冲突时, 应以服从预应力筋为原则。

预制框架梁时应特别注意混凝土浇筑时孔道的堵塞防治。生产时应采用密封性较好的塑料波纹管;预制梁混凝土浇筑前, 预应力孔道需进行专项检查, 如有破损及时修补;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, 并指派专业人员于现场进行质量监控;混凝土浇筑完毕后, 可先穿设预应力束, 混凝土浇筑初凝前抽动预应力束以防止孔道堵塞, 若发现漏浆应及时处理, 反复抽动预应力束直至混凝土初凝。

本工程12m跨主梁方向采用预应力梁, 预应力筋“三跨一张拉”。确定合理的预应力张拉顺序是预应力施工关键。预应力筋张拉时应从中间向两边依次同步进行, 以保证整个区域变形一致。预应力筋张拉需待现浇层混凝土强度达到75%方可进行, 预应力张拉前不得拆除预应力构件底支撑。

预应力张拉时采用张拉力与张拉伸长量共同控制, 并分级张拉。预应力张拉时可采用超张拉技术减少预应力损失。选用可调节式锚具时, 预应力的张拉程序为:0→0.1σ_con→0.2σ_con→1.05σ_con (持荷2~5min锚固) →σ_con (锚固) 。选用不可调节式锚具时, 张拉程序为:0→0.1σ_con→0.2σ_con→1.03σ_con (持荷2~5min锚固) 。

是否需要超张拉取决于设计要求和施工工艺, 但最终目的是张拉锚固后锚下应力达到设计要求。

装配整体式预应力混凝土框架结构体系将预应力技术与预制技术结合, 有效解决了大跨框架结构混凝土梁高过高问题, 在保证使用净高的前提下, 可以使得建筑设计中选择更大的柱网尺寸, 以获得更舒适的使用感受;同时, 预应力技术还解决了预制叠合梁尺寸过大问题, 更有利于装配式建造技术的应用。经测算, 与同类装配式框架结构对比, 该体系可节约建造成本约8%。

1) 提出一种叠合梁和节点核心区设置后张、连续、曲线预应力筋的新型装配整体式预应力混凝土框架结构体系, 并系统开展该体系足尺节点模型的低周反复荷载试验, 试验证明该体系抗震性能良好。

2) 以某项目为例, 详细阐述预制多段柱、预应力梁深化及梁柱节点连接等一系列深化设计要点, 并采用BIM技术解决施工阶段钢筋碰撞问题。

3) 提出了连接钢筋精确定位、多层柱设计与施工、预应力筋的穿筋张拉与锚固等一系列施工关键技术, 并在某项目中成功应用, 证明该体系可有效解决大跨度混凝土框架结构装配式建造问题, 经济效益良好。