由于预应力技术本身存在诸多优点而广泛应用于建筑工程的各个领域, 其中预应力混凝土结构是预应力技术体系中最基础的结构类型。在预应力混凝土结构施工中也存在诸多问题, 如混凝土结构施工中出现的多束孔道交叉曲线线形定位不准确、预应力筋线形曲率半径较小和等效荷载过大引起曲线反弯点处产生剪切裂缝、井字梁张拉过程摩阻损失过大等施工难点, 需要针对性地进行阐述, 进而提高预应力技术施工的整体水平。

在大跨度悬挑结构、预应力井字梁结构中普遍存在着多束预应力筋交叉穿过情况, 通常这些预应力束交叉点为梁柱节点, 这些节点在预应力筋线形设计中多为折线线形的最高点和曲线线形的端点, 竖向标高均距离混凝土上表面较近, 加之节点处预应力混凝土梁、普通混凝土梁的上部纵筋及混凝土柱的主筋、箍筋造成该部位钢筋密集, 难以保证预应力束曲线节点处竖向位置定位准确, 致使预先施工预应力引起的等效荷载无法得到保证, 引起工程质量事故。

利用BIM技术三维图形准确模拟施工, 对预应力束、梁柱钢筋交错的复杂节点进行深化设计, 以解决梁柱各种钢筋相对空间位置的碰撞。首先运用Revit进行施工图深化设计, 将梁柱节点交汇处柱筋、梁筋、预应力波纹管进行精细排布, 确保钢筋的型号、数量及波纹管标高的准确性, 形成复杂节点预应力及钢筋定位图。根据定位图可以清晰地看出节点冲突位置和冲突原因, 并提出相应的深化设计方案。

1) 根据预应力混凝土梁内波纹管穿束困难程度, 可在下料时调整预应力梁箍筋的四肢箍间距, 以方便预应力波纹管穿束。

2) 调整框架柱相对位置, 确保双向预应力顺利穿束。

3) 依据已调整好的框架柱位置对框架柱的箍筋进行针对性下料, 下料时应充分考虑固定柱中主筋位置, 优化后的复杂节点模型如图1所示。

当预应力结构使用阶段承受较大荷载时, 通常需要配置较多束预应力钢绞线, 预应力束线形设计为曲线形式、束型曲线在反弯点处曲率半径较小或防崩裂钢筋放置不满足规范要求时 (见图2) , 张拉过程中在反弯点处产生较大的径向力, 对混凝土产生的剪切力极易产生平行于抛物线的裂缝。为避免这种裂缝的产生, 建议分批张拉预应力, 在混凝土试块强度为50%时进行张拉, 强度为张拉控制力的40%, 当试块强度达到混凝土强度的80%, 按照设计规范张拉到预应力钢绞线强度的75%, 以避免一次张拉到位产生较大的拉应力造成混凝土剪切应力过大, 引起反弯点处的剪切破坏。

对于预应力连续梁, 当相邻两跨距差别较大、构件截面尺寸和预应力筋束配筋相同时, 对于跨度较小的构件, 因为需要承载相同预应力筋束的张拉承载力, 同样会在反弯点处产生较大的剪切力, 具体如图3所示。此时可不对整束预应力筋进行分批张拉, 而仅需要将较小跨度梁的预应力束型曲线中的部分抛物线线形改为折线线形布置, 即可避免反弯点处剪切裂缝的出现。小跨梁预应力筋线形的布置原则是:张拉预应力筋引起的等效荷载与该跨所承担外荷载的比值与大跨梁相同。

楼板在建筑结构中承受竖向荷载和传递水平荷载, 其结构设计类型极大影响着建筑整体的受力变形、工程成本、施工工艺、工程周期及室内装饰装修效果。混凝土井字梁楼盖其双向梁不分主次, 共同承担结构荷载, 体系受力的均匀性提高了结构塑性变形能力、结构延性及抗震性能。相对于混凝土井字梁盖, 预应力井字梁对楼板裂缝的产生限制作用更强, 该设计不仅增大了结构跨度、减小了梁相对截面高度、增加了结构空间净高, 而且可省去装饰装修阶段吊顶工艺施工。

预应力混凝土井字梁因没有主次之分可不在横纵方向相交的节点处设置箍筋和吊筋附加钢筋。依据井字梁与柱是否相交, 井字梁在设计过程中会出现2种布置形式。

1) 井字梁与柱不相交此时井字梁的梁间距设计较小, 梁板横向刚度较大, 因柱未直接与梁相连, 削减了结构的抗侧刚度, 形成“强梁弱柱”的情况, 不利于结构整体抗震性能。

2) 井字梁与柱相交此种设计梁、柱跨度通常较大, 井字梁和柱所承荷载也较大, 因此其截面需要设计较大尺寸, 为了满足结构整体美观, 要求井字梁截面尺寸相同, 若将楼板所有梁均设计成相同尺寸, 则不利于结构的合理受力而且增加工程造价。为解决上述矛盾, 可将梁柱相交的井字梁设计为较大截面尺寸, 普通混凝土梁设计成较小截面尺寸, 形成较为整齐的嵌套结构。

预应力井字梁楼盖其纵横双向均需配置预应力筋, 梁内预应力束通常设计为双孔道, 预应力束形曲线依据结构形式为正反抛物线和连续折线多种形式, 张拉方式也需要结合结构的长短跨结构形式和预应力束摩阻损失决定, 通常短跨方向的预应力混凝土梁采用一端固定、一端张拉形式, 长跨方向的预应力混凝土抛物线线形梁进行两端张拉。梁柱节点处均有多束预应力束交叉穿过, 预应力井字梁张拉顺序的设计将直接影响结构施工质量和工程周期, 其张拉顺序的选择可考虑预应力束型曲线和结构形式确定, 具体阐述如下。

1) 为避免预应力井字梁在预应力荷载施加过程中造成的受力不均匀、横纵向预应力施加的相互影响, 建议配备2套张拉设备, 张拉过程依据张拉控制力的百分比分阶段张拉。

2) 通常情况下, 抛物线线形预应力束线形在张拉过程中产生的预应力摩阻损失远大于折线线形, 为保证预应力束线形在施工质量中能施工到位, 应先张拉折线线形后张拉抛物线线形。

3) 梁的张拉顺序为先张拉纵横向交叉的井字梁, 再张拉周边无交叉的预应力梁。

4) 在预应力筋交叉节点处施工中, 将长跨方向的预应力束放置在短跨预应力筋上部, 纵横向预应力井字梁张拉顺序应为先张拉跨度较小方向的预应力井字梁, 后张拉跨度较大方向的预应力井字梁。各横纵方向井字梁的张拉顺序应为先张拉井字梁平面布置的中间部位, 再由中间部位向两侧依次张拉。

5) 预应力混凝土梁设计为2束预应力筋时, 为保证预应力束受力均匀, 减小预应力筋施工引起的预应力损失程度, 预应力张拉时建议循环张拉2束预应力筋, 每次循环张拉相邻张拉力差值不大于总控制应力的25%, 具体张拉次序为:左束0~左束25%σ_con~右束0~右束25%σ_con→左束50%σ_con~右束50%σ_con~左束75%σ_con~右束75%σ_con→左束100%σ_con~右束100%σ_con, 单根预应力钢绞线的张拉应平缓均匀, 以保证楼板整体结构的变形均匀变化。

6) 长跨方向预应力井字梁的预应力束需要两端同时张拉时, 每级荷载的张拉应对称同步、张拉速度保持一致, 两端预应力筋张拉伸长值应基本相同。

7) 对于配置较多预应力束的曲线线形预应力井字梁, 若张拉过程中在反弯点处易产生斜向裂缝和局部受压不满足要求时, 可将部分预应力曲线线形改为直线形式, 端部预应力整体形式改为预应力束单根张拉形式。

在预应力施工前应根据以上原则绘制楼板和楼盖的预应力筋张拉位置和顺序平面图、计算并整理预应力筋的理论伸长值。张拉过程中应对预应力筋的理论伸长值进行测量记录、横纵方向井字梁节点处矢高控制点进行监测, 依据监测节点处矢高的变化情况, 分析整体屋盖结构基本上均匀受力、起拱连续, 以判断起拱量在设计预计范围之内, 是否达到了很好的施工效果。

针对预应力混凝土结构施工中存在的3个施工问题, 采用BIM技术分析空间排布密集区冲突位置, 并针对性地进行深化设计, 确保了结构质量和空间位置需要。通过对预应力筋分阶段张拉和束型曲线的部分调整布置, 避免了预应力混凝土结构预应力筋线形曲率半径较小和等效荷载过大引起曲线反弯点处产生剪切裂缝的问题。通过对预应力混凝土井字梁张拉顺序的研究分析, 解决了摩阻损失过大等施工难点, 克服了预应力等效弯矩过小、控制力偏小等问题。