加载反力系统是结构实验室中重要的试验加载设施, 用于为试件、结构模型、反力架、加载作动器等提供固定端, 承受反作用力, 特别是在土木工程抗震性能试验研究中, 反力系统尤其重要。加载反力系统可采用钢结构或混凝土结构形式, 由于后者在承载力、刚度、覆盖面、耐久性等方面较前者更具优势, 因此结构实验室中混凝土结构反力系统最常见。混凝土结构反力系统通常由竖向的反力墙和水平向的反力台座2部分组成, 两者纵向钢筋贯通, 形成整体, 共同工作。反力墙和反力台座表面需设置一定密度的孔洞, 用以穿过固定螺栓, 将上述试验对象和设备固定稳妥。为保证孔洞尺寸精准, 避免应力集中而造成混凝土局部损坏, 孔洞一般由钢质预埋件制成, 在混凝土浇筑前埋设于反力墙和反力台座模板内, 拆模后自然成孔。为满足结构试验中数据采集的精度要求, 设计方和使用方对反力墙及反力台座表面的平整度、反力墙的垂直度、螺栓孔预埋件 (以下简称“预埋件”) 的定位及歪斜度有较高要求, 且须按清水混凝土一次浇筑成型。而且, 反力系统工作荷载大, 工作条件严苛, 服役期长, 因此通常需设计为较厚墙体, 配置较多钢筋并施加预应力, 以满足承载力、刚度及抗裂的要求。以上因素使混凝土试验加载反力系统的施工难度加大。

现有文献^{[1,2,3,4,5,6]}表明, 国内现有的加载反力系统施工技术能够满足较高精度要求, 但在预埋件组装工艺、变形校正、防锈方面鲜有涉及, 预埋件定位的校正工具和方法也仍有待改进。本文以广西某高校土木工程结构实验室中的加载反力系统为例, 介绍、总结施工中的一些关键技术和主要经验。

某高校土木工程大型结构实验室的加载反力系统位于试验大厅东南区域, 由2座呈L形布置的反力墙和反力台座组成。反力台座为1层地下全现浇钢筋混凝土箱式结构, 总长42.37m, 宽15.3m, 高3.0m, 顶、底板和内、外墙厚度均为500mm, 台座顶板共设ϕ80mm螺栓孔1 586个, 纵横间距500mm。反力台座通过南边的1道楼梯进入台座地下室, 该地下室除了放置油泵设备和为试验人员提供安装试件固定螺栓的空间外, 还用于材料长期性能试验堆放试件和试验设备。反力台座东、南方向外侧墙体同时兼作挡土墙, 须同时满足抗土侧压力和抗渗要求。2幅反力墙位于整个试验大厅的东南角, 总长分别为12.50m (东墙) 和16.67m (南墙) , 总高16.85m。两墙相互分离, 中间由斜向的多道深连梁拉接。反力墙为中空的箱式结构, 内部共设地下1层和地上5层, 平面布置如图1所示, 地下1层与反力台座连通。反力墙外轮廓厚3.2m, 每幅反力墙由2片厚500mm的纵向翼墙、平均间隔为3.0m/厚 (400～500) mm的横向加劲墙和厚300mm的水平楼板/屋面板组成, 横向加劲墙在各层开设宽600mm、高1.65～1.75m的门, 翼墙采用现浇预应力混凝土结构, 加劲墙和水平楼板、屋面板为钢筋混凝土结构。反力系统的混凝土强度等级为C50。东墙朝向室内的西翼墙共设460个ϕ80mm螺栓孔, 南墙朝向室内的北翼墙共设598个ϕ80mm螺栓孔。

根据设计要求, 预埋件采用Q345钢制作, 由面板、无缝钢管、背板3部分焊接而成, 此3部分的拼装方案有2种:①方案1 采用钢管穿过面板、背板的方式, 如图2a所示;②方案2 采用面板、背板盖于钢管之上的方式, 如图2b所示。比较2种方案, 方案1在传力、精度控制、加工和焊接难度、后期可调整性、密封性、螺栓穿过的光滑度等方面均优于方案2, 因此方案1为最佳方案。此外, 反力台座的预埋件呈竖向布置, 开口于地面, 与地下室相通, 需要设置防水、防尘的钢封盖 (设活动提手) , 方案1只需使钢管穿过面板厚度的一半即可留出封盖空间, 实现封盖与预埋件的准确契合, 如图2c所示, 方案2则难以实现该要求。预埋件的制作工艺如图2d所示。

按设计要求, 本工程预埋件的精度要求是:螺栓孔直径、壁厚、长度、面板和背板的平整度及平行度等尺寸误差均不得超过±0.5mm。加工好的预埋件进场时须用游标卡尺逐一量测其各项尺寸, 并根据误差程度分类, 对长度误差超过±0.5mm者不得采用, 退回重新加工, 可经校正使用者须编号并标记误差数值, 作为后期校正依据。尽管本工程预埋件采用了CO₂保护焊, 但因焊接时钢材局部受热, 面板和背板极易发生翘曲变形, 经检查, 90%以上的预埋件存在残余变形, 全部表现为面板和背板外周翘曲, 中央螺栓孔位置相对外凸, 翘曲变形量多在1mm左右, >0.5mm需经调平校正方可使用, 调平利用手动千斤顶和自制的反力装置完成。校正装置工作原理如图3所示, 利用千斤顶推动预埋件向下移动, 斜向粗钢筋向上承托面板四角, 将面板扳正。校正时, 需不断取出预埋件用T形钢卡尺插入孔内以旋转方式检查面板和背板平整度, 直至达到精度要求为止。对于不便利用千斤顶进行调整的微量变形允许利用锤击方式处理。校正好后的预埋件仍按校正情况分类堆放, 少数误差相对较大者 (仍小于±0.5mm) 将布置在使用率低的次要位置。

实际施工中, 螺栓孔预埋件易生锈, 全部成品运至施工现场后, 多数预埋件表面已出现少量锈斑, 这在温度较高、湿度较大的广西地区尤其普遍。考虑预埋件在堆放、定位、固定时可能遭遇降雨和潮气侵蚀, 在混凝土浇筑和养护时还要接触施工用水, 深度生锈的可能性极大, 对预埋件钢板的强度、厚度、耐久性及墙面的平整度、美观性有不利影响, 因此须认真做好除锈和防锈工作。本项目预埋件在经上述平整度校正后, 先利用钢砂纸以人工方式进行除锈, 经毛刷刷净锈粉后, 立即在螺栓孔的内壁和钢板外表面刷2道防锈底漆, 但与混凝土接触的位置无须刷漆, 以便与定位角钢焊接, 并保证钢与混凝土间的黏结力。预埋件模板定位固定后, 还需在钢管内塞满塑料泡沫或废布、麻袋等, 以防混凝土浇筑振捣时水泥浆侵入管孔硬化, 增加后期清理、防腐工作量。养护拆模后, 清除各孔洞填塞物, 检查螺栓孔清洁情况, 清除污物和锈迹, 再正式涂刷1道底漆和2道面漆。

该反力系统螺栓孔预埋件的定位精度要求是:表面平整度、预埋件间距不大于±2mm/5m, 歪斜角度≤0.23°。因预埋件的安装精度直接关系到反力台座、反力墙表面的平整度, 所以预埋件安装和校正是本工程最关键、难度最大的一道工序。

按自下而上的顺序, 反力台座顶板先行浇筑, 而后才逐层浇筑反力墙。反力台座螺栓孔预埋件安装前, 必须先保证底模的水平度和平整性。水平度用水准仪测量底模各点标高, 微调下部顶托螺杆, 直至底模各点标高差值不大于±2mm。然后选取一块中央区域进行模拟加载试验, 即堆放与拟浇筑钢筋混凝土同等质量的砂袋, 测试反力台座模板支撑体系的强度、刚度和稳定性, 为误差控制提供依据。

本工程设计制作了2种预埋件定位校正模具, 如图4a, 4b所示, 为插销式校正模具, 插销由4条短钢片呈十字形焊接于槽钢焊接的钢架上, 作为插销的4条钢片经特制的螺栓孔定位标准模具 (见图4c) 标定, 再对其长度做精细打磨即可达到较高精度。此插销式校正模具具有加工容易和使用轻便快捷的特点。

台座预埋件的安装、校正和固定工艺是:制作ϕ80mm圆形木饼, 绘制十字线标出圆心→底模放线, 弹出各预埋件中心点→3颗螺钉固定木饼→安放预埋件→调整方形面板旋转角度→校正中点、角点预埋件的双向垂直度, 作为标准预埋件→将标准预埋件与台座竖墙外露钢筋双向用短钢筋焊接固定→以标准预埋件为参照点, 用校正模具双向递推校正其他预埋件位置→依次用双层双向└50×5将校正好的预埋件临时点焊固定→校正钢架随机抽样复核所有预埋件定位精度→精度不达标的预埋件割除角钢焊点, 微调, 再点焊固定→再次复核定位→再微调→如全部预埋件满足精度要求, 正式焊牢预埋件。反力台座预埋件固定效果如图5所示。

反力墙是竖向构件, 受自重影响及垂直度要求, 其预埋件的安装和定位校正难度高于水平卧置的反力台座。反力墙的每个预埋件因有穿心螺杆通过以固定墙模, 故不能再利用木模板上的圆木饼定位, 改由双层双向└50×5焊制的刚性构架准确定位。刚性构架的根部角钢在反力台座顶板混凝土浇筑前即准确预埋。

本工程仅在反力墙两侧翼墙中设置竖向预应力筋, 不设水平预应力筋, 反力台座和反力墙加劲横墙也不施加预应力。预应力筋按2ϕ^s15.2@250沿墙长布置, 采用后张有粘结预应力, 钢绞线抗拉强度标准值为1 860MPa。预应力筋在墙根处为固定端, 采用P15-2型挤压锚, 墙顶处为张拉端, 采用M15-2型夹片式锚具。由于反力墙是竖向构件, 需逐层浇筑完成, 使预应力施工方法与常规的水平预应力构件不同, 无法在反力墙浇筑完成后再穿预应力筋, 因此固定端锚具须在反力台座底板立模时即准确埋设于模板内, 并做好防护处理, 避免固定端锚具与地基土接触。连接于锚具上的18m长预应力钢绞线应垂直向上伸展, 须搭设专用的托筋脚手架。对于预应力筋外套塑料波纹管, 因后张竖向预应力筋要求自底至顶呈直线形, 故必须保证波纹管的直线形状。波纹管用靠尺保证双向垂直度, 并用铁线与反力墙钢筋网拉接固定, 防止振捣时发生偏移、弯曲。波纹管可热熔接长, 故每个施工节段的下料长度可按层高取, 逐层接长时定位必须准确, 并在上端用布和胶带做封堵处理, 防止雨水进入长期浸泡钢绞线。在长达数月的施工期, 雨季难免导致外露的钢绞线生锈, 本工程选用镀锌钢绞线, 实际的防锈蚀效果达到预期要求。2根钢绞线在波纹管内极易发生缠绕, 产生预应力损失, 所以要用色笔在钢绞线表面做好标记, 并记录钢绞线的方位。灌浆在预应力筋张拉完成后立即进行, 灌浆方向应自下而上方可保证浆体密实性, 切忌从顶部向下灌浆, 因此灌浆孔应在反力台座底板立模时预设在固定端锚具处, 外露于底板表面, 也须做临时封堵处理。预应力筋张拉顺序对预应力损失和建立预应力的均匀程度有一定影响, 经设计方仿真分析, 先张拉反力墙中部的预应力筋, 再向两侧对称张拉。

根据构件的重要级别, 预埋件、预应力钢筋的位置不能扰动, 因此在普通钢筋绑扎中, 凡钢筋与预埋件、预应力波纹管发生碰撞时, 均对钢筋做局部弯曲绕开处理。22以上纵筋采用锥螺纹套筒或冷挤压连接, 以缩小体积, 减少碰撞机会, 以保证传力可靠性。反力墙水平楼板钢筋接头可采用搭接绑扎连接。钢筋布置前, 需绘制钢筋、预应力钢绞线和预埋件分布图, 检查纵筋、箍筋与预应力筋、预埋件的碰撞情况。

反力台座和反力墙均采用25mm厚的双面覆膜模板, 除保证较大刚度外, 还可避免水分渗入内部导致模板变形, 而且所有木模板为一次性使用。次楞采用100mm×100mm杉木方;模板支撑采用ϕ48×3钢管。反力台座支撑体系选用扣件式钢架管+可调顶托支撑系统, 立杆纵向间距500mm, 横向间距 1 000mm, 水平拉杆间距1 500mm。反力墙的技术重点在于平整度和垂直度, 平整度由预埋件定位精度和模板体系刚度控制, 垂直度由预埋件定位钢架、钢筋网、模板及其支撑共同控制。在预埋件定位准确的前提下, 反力墙对拉螺杆穿过预埋件孔洞, 间距500mm, 通过双钢管压紧间距为250mm的竖向楞木, 先保证模板体系的抗胀模刚度。模板体系的垂直度由靠尺和吊锤精准控制, 反力墙室内翼墙搭设落地满堂钢管支撑, 其水平撑杆和斜杆可调整, 水平撑杆加密至500mm, 保证垂直度和刚度。反力台座和反力墙模板支撑体系如图6所示。

本工程反力系统混凝土强度等级为C50, 地下室外墙部分防水等级要求为P6。为减少振动棒产生振动导致预埋件偏移, 反力台座顶板及反力墙均采用自密实混凝土, 降低振捣要求。因混凝土强度等级较高, 水泥强度等级较高, 水泥用量较大, 水泥水化热高, 易产生内外温差裂缝, 如内埋降温冷却管, 将增加施工复杂性, 墙体内部钢材、管道过于密集, 反而不利于保证混凝土的密实性及其与钢筋的握裹力。考虑到顶板和墙体厚500mm, 为中等厚度, 可从材料和浇筑方法2方面着手解决该问题:①选用低、中热水泥, 掺入减水剂和粉煤灰, 减少水泥用量, 还掺入一定的膨胀剂, 减少收缩, 否则混凝土收缩明显, 除开裂外, 预埋件之间的混凝土会出现凹陷, 将无法补救;反之, 对于稍微上凸的混凝土表面, 在拆模后可用打磨机找平。②混凝土采取循环式分层浇筑方法, 减小某一处一次浇筑的厚度, 以利散热。建成后的反力系统如图7所示。

1) 预埋件的拼装方案应仔细推敲, 择优选用;台座预埋件因需设活动盖板, 其预埋件拼装方案与反力墙预埋件有一定差异。

2) 焊接导致预埋件不可避免地出现残余变形, 影响精度, 可利用本文介绍的自制工具扳正, 不可利用手工锤击方式处理。

3) 整个施工过程中应重视预埋件的除锈和防锈, 对预埋件可分多次除锈、涂刷多道防锈漆。

4) 预埋件定位校正是反力系统施工难度最大的工序, 可用本文介绍的工具校正预埋件定位, 并注意台座与反力墙预埋件校正方法和工具有所不同;预埋件可通过与双向内埋角钢架焊牢进行固定。

5) 反力墙的竖向预应力筋施工有一定的特殊性, 预应力筋不能后穿;固定端锚具和灌浆孔应先设置于台座基础底板;预应力筋向上伸展, 需搭设托筋脚手架。

6) 模板支撑体系应通过增大模板厚度和木楞粗细、增加对拉螺栓和支撑钢管的密度以保证其刚度。

7) 钢筋工程中, 普通钢筋网必须避让预应力波纹管和预埋件。

8) 保证混凝土的密实度和控制收缩性是混凝土工程的关键, 通过掺加混凝土外加剂、采用自密实混凝土、优化浇筑方法, 500mm厚的混凝土可无须埋设冷却水管而达到控制水化热、防止开裂、避免凹陷的目的。

混凝土结构试验加载反力系统最大的独特性 在于尺寸和孔位精度要求高以及清水混凝土的不可修补性, 这给施工带来极大挑战。采取上述技术措施完成施工后, 该反力系统现场实测各项指标均达到了设计方和使用方的要求。