高層建筑地下室有粘結預應力頂板設計與施工技術探討

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摘要:本文結合工程實例,詳細闡述了地下室頂板有粘結預應力技術的設計與施工要點,并在與一般鋼筋混凝土樓板比較分析的基礎上,對其的使用性能及良好的經(jīng)濟性進行了深入探討和總結。

關鍵詞:有粘結預應力;地下室頂板;鋼筋混凝土樓板;配筋;經(jīng)濟性1工程概述

湖南某住宅小區(qū)由多棟10～13層小高層和多層住宅組成,總建筑面積達10萬m2。其中室外地下室頂板采用預應力技術,以充分利用頂板帶來的空間,平時頂板下為室內停車場,戰(zhàn)時則為6級物質庫,并頂板上種植綠草、修造花園等公共設施,以營造舒適、生活休閑功能齊全的高尚社區(qū)。本工程柱網(wǎng)尺寸主要為8.0m×8.0m,地下室頂板上覆土1000mm,并且有人防要求。由于荷載大(覆土荷載、消防車荷載和人防荷載)、抗裂要求高,故該工程的地下室頂板采用有粘結預應力無梁樓蓋技術,其平面布置見圖1。

2有粘結預應力預應力地下室頂板的設計驗算

2.1計算模型和設計參數(shù)

本工程地下室頂板室外覆土1000mm,混凝土強度等級為C35,fc=16.7N/mm2,非預應力筋為級鋼,fy=300N/mm2,預應力筋采用直徑為Φs15.2,fptk=1860N/mm2級低松馳鋼絞線,張拉控制應力取0.7fptk=1302MPa。設計荷載為:板厚300mm自重:7.5kN/m2,其它恒載:20.0kN/m2,正常使用活載:3.5kN/m2,消防車荷載:20kN/m2,人防等效荷載:65kN/m2。

由于地下室頂板荷載大并且分布不同,邊界條件復雜,同時還要考慮溫度應力(本工程考慮25溫差)的影響,而計算模式不同,不同位置的應力值將相差較大,所以采用了能有效地反映板的支承條件的板、梁、柱共同作用的空間結構模式來計算板在各種荷載工況下的應力即采用空間有限元程序SAP來進行計算分析,在各種荷載工況下應力結果見表1。

2.2頂板的抗沖切驗算

在進行頂板設計時,在柱子位置可適當增加柱帽(本工程為大小為3000mm×3000mm,根部加高500mm的柱帽),易計算樓板在各種工況下的抗沖切驗算完全能滿足要求。

2.3正常使用條件下頂板的抗裂控制條件

對于抗裂控制條件,混凝土結構設計規(guī)范(GB50010-2002)比無粘結預應力混凝土結構技術規(guī)程(JGJ/T92-2004)抗裂度要求略高,而且沒有后者具體,因此對于板結構,我們認為,無論有粘結筋還是無粘結筋,抗裂度統(tǒng)一可以按(JGJ/T92-2004)取值。

因此在正常使用條件下的,抗裂驗算可采用如下公式:

(1)在荷載效應的標準組合下:

σck-σpc1.0ftk(1)

式中:σck荷載效應的標準組合產(chǎn)生的應力;

σpc預應力等效荷載產(chǎn)生的應力;

(2)在荷載效應準組合產(chǎn)生的應力

σcq-σpc0.4ftk(2)

式中:σcq荷載效應準組合產(chǎn)生的應力

對于在消防車荷載及人防荷載條件下,可不用按上述條件要求計算,只需在強度條件滿足的前提下,另外復算消防車荷載下的裂縫寬度為0.2mm以內即可。

2.4設計結果

通過有限元程序計算外荷載作用下的應力,依據(jù)頂板的抗裂控制條件,確定預應力等效荷載,進一步得出每跨預應力筋束數(shù)。本工程雙向均勻布置,每跨8.0m配預應力筋30束(預應力筋平面布置圖2)。

2.5樓板的極限承載力

對于預應力樓板,裂縫控制條件往往是比較嚴格的,因此在抗裂控制條件滿足的前提下,可以按規(guī)范的小配筋率要求(人防要求0.3%)構造配置普通鋼筋,這樣驗算板的正常使用及人防條件下的極限承載力通常都大于設計承載力。

3有粘結預應力地下室頂板施工技術要點

3.1預應力筋布置

預應力筋布置應嚴格按圖施工,鋼筋數(shù)量及種類必須符合圖紙要求,嚴格按設計要求曲線布筋,保證在垂直方向上各控制點的高度達到設計要求,曲線要平滑,反彎點位置按圖施工,梁內預應力筋保護層小厚度50mm。張拉端與固定端采用夾片類7孔錨具,喇叭管和螺旋筋與其配套?？椎啦捎媒饘俨y管留孔,管徑為70。接管采用大一號的波紋管,采用一端張拉。

3.2波紋管埋設及預應力筋穿束

支模板過程中,梁的側模板先不封,以便于金屬波紋管和預應力筋的埋設。在非預應力鋼筋綁扎好后,根據(jù)設計的預應力筋曲線坐標,將波紋管固定支架焊接在大梁相應位置和標高處的箍筋上。支架采用Φ10鋼筋,間距為800mm。定位鋼筋固定好后,即可安裝金屬波紋管,波紋管逐根穿入,與定位支架用20號鐵絲十字交叉綁扎牢固,要特別注意點、反彎點和梁跨中處的位置準確。由于波紋管由兩段或多段組成,兩段管之間接頭用大一號波紋管(L=300rnm)套接,張拉端頭擴大孔采用Φ85的波紋管。波紋管所有連接處用防水膠帶纏裹嚴實防止漏漿。安裝好波紋管后,即可進行鋼絞線穿束。

3.3模板及腳手架工程

要求梁模板的支架必須滿足承受結構的自重和可能出現(xiàn)的施工荷載的要求,并有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性。預應力梁兩側模板必須在波紋管固定好并驗收合格后方可進行封模安裝,在模板打對拉螺栓孔時必須注意預先定出位置,防止打穿波紋管。

3.4混凝土澆筑和養(yǎng)護

混凝土澆筑時嚴禁踩壓波紋管、預應力筋、定位鋼筋、排氣管(兼泌水管)及端部頂埋件?；炷翝仓^程中,要在波紋管的兩側對稱下料,振搗時,振動棒不得碰到波紋管、錨具等,以免損壞波紋管而引起漏漿堵塞孔道和保證頂應力筋的束形和錨具的位置準確。并注意控制波紋管的上浮現(xiàn)象發(fā)生,澆筑好后要注意養(yǎng)護,以確?；炷劣凶銐虻某袎毫?以免張拉時發(fā)生事故。

3.5張拉控制

張拉過程實行雙控管理,即以應力控制為主,并同時實施伸長值測量控制。在正式張拉前進行試張拉,實測摩擦損失系數(shù),再根據(jù)實測結果填寫張拉要點(包括張拉力及計算伸長值)。張拉的實際伸長值不應大于計算伸長值的+6%或小于-6%,若發(fā)現(xiàn)實際伸長值超出此范圍,應停止張拉,查明原因可繼續(xù)張拉。

3.6孔道灌漿和封錨

灌漿水泥采用普通硅酸鹽水泥,水灰比為0.4,摻減水和帶微膨脹的外加劑,塌落度為16cm。從設置在曲線孔道點的灌漿孔中均勻地一次灌滿孔道,待兩端出氣處冒出濃漿后方可封閉泌水孔(出氣孔)并繼續(xù)加壓到0.6MPa,持荷2min后封閉灌漿孔。張拉灌漿完成后緊接著進行封錨。封錨前必須將錨具、錨孔清理干凈,按設計要求進行封錨,凸出的錨頭按照設計的大樣圖由總包方配置附加鋼筋,對錨具進行封閉保護。封錨材料必須將錨具、預應力鋼絲頭全部封錨堵密實,不得留有空隙,筋頭、錨具不得外露。

4地下室預應力頂板設計與施工時應注意的問題

1)地下室頂板采用預應力技術時,解決了超長結構樓板收縮開裂問題,通常在板中我們施加1.5～2.3MPa左右的收縮預壓應力來抵抗混凝土的收縮和溫度應力。但是樓板的伸縮對柱子的影響不容忽視,特別是靠近端部的柱子,變形大,附加彎矩大,在計算柱子的承載力的時候,應充分考慮施加預應力,溫度應力和混凝土收縮等的影響。2)對于一些承受特殊荷載的板系,抗裂度可以適當降低,可以考慮加強耐久性的措施。如行駛消防車的地下室頂板,因為消防車是臨時荷載,也許結構的整個生命周期內,消防車都不會出現(xiàn),因此把消防車荷載來計算結構的抗裂度是不妥當?shù)?。所以在計算配筋時,如考慮全部車輛荷載的時候,可控制裂縫寬度不大于0.2mm即可。

3)注意協(xié)調正常使用階段、正常使用承載力極限狀態(tài)和消防車荷載、人防荷載作用后四種不同受力狀態(tài)的配筋,使后配筋不僅能同時滿足,而且又經(jīng)濟。

4)地下室頂板通常會開設透氣窗、采光井、水管井等,而且板上開洞大小不一。對于大于1m的洞的周邊均易出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象,這時預應力束和普通鋼筋根據(jù)開洞石板的應力結果進行配置,洞周邊應設置暗梁或反梁。這時的預應力筋離洞邊應有一定距離,并應以足夠大的曲率平緩繞過板中的洞口。

5)施工時,張拉端、固定端支錨具須有可靠固定,并保持張拉作用線與承壓板面垂直。預應力混凝土要連續(xù)澆注完畢,不留施工縫,并同時留足兩組試件(標準養(yǎng)護試件和同條件養(yǎng)護試件),并檢查混凝土坍落度是否符合要求。

封錨材料必須將錨具、預應力鋼絲頭全部封錨堵密實,不得留有空隙,筋頭、錨具不得外露。

5預應力混凝土技術綜合優(yōu)勢及經(jīng)濟性比較

5.1使用功能

1)采用預應力混凝土無梁樓蓋方案有利于減少地下室埋深及基坑的開挖深度。頂板做成預應力板后,則可以降低層高,減少水壓力,減少了基坑的開挖深度。

2)采用預應力混凝土無梁樓蓋方案有利于增加地下室的凈空高度或者減少層高。對于8.0m跨度的樓蓋體系,若采用普通鋼筋混凝土梁板結構,梁需要占去900mm左右的凈空,而采用預應力樓板后,取消了不必要的明梁,板厚為180～300mm(柱帽部分總高度約為500mm),這樣在凈空不變的情況下,至少可以減少600mm以上的層高。

3)采用預應力混凝土無梁樓蓋方案具有優(yōu)越的抗裂性,并解決了超長結構的溫度應力。預應力不僅解決了豎向荷載下的抗裂問題,而且在混凝土頂板中建立了大約1.5～2.3MPa的預壓應力,對超長結構抵抗溫度應力以及混凝土收縮應力具有明顯的優(yōu)越性,結構還可不設施工縫。

5.2經(jīng)濟性比較

采用預應力混凝土無梁樓蓋方案減少鋼筋、混凝土用量,降低結構的造價。本工程相同條件下如采用普通鋼筋混凝土結構配筋見圖3,與圖2預應力砼結構方案經(jīng)濟比較見表2。

上述比較中,混凝土綜合價格按照400元/m3,普通鋼筋綜合價格按照3800元/t,預應力綜合價格按照16500元/t。由表1的經(jīng)濟比較可以發(fā)現(xiàn):采用預應力無梁樓蓋方案比普通鋼筋混凝土梁板方案每平米綜合單價約低10%。

5.3對施工進度的影響

與普通梁板方案相比,預應力施工需要增加鋼絞線的布置、張拉、灌漿等工序,但其中只有鋪設鋼絞線需要單獨占用主導工序的時間,而模板的安裝、普通鋼筋的鋪設的難度和工期都有較大節(jié)約,張拉和灌漿可以和其它工序同時進行,不影響施工進度,大量的工程實例表明,采用預應力有利于加快進度。

6結語

綜上所述,預應力技術經(jīng)過了多年的工程實踐和不斷發(fā)展,已經(jīng)是比較成熟的一項工程技術,在今后的發(fā)展應用中,還將日臻完善。由工程實踐可知,預應力技術在地下室頂板中的種種優(yōu)勢,具有有著強大的生命力和競爭力,一定會在未來的工程實踐中得到更加廣泛的應用。