CN115324277B - 高空大跨度弧形预应力梁施工方法 - Google Patents

高空大跨度弧形预应力梁施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑施工技术领域，公开了一种高空大跨度弧形预应力梁施工方法，包括获取建筑物结构中的结构转换层的位置；构建结构转换层以及结构转换层上方的各个楼层的预应力梁的受力模型；根据受力模型逐层分析结构转换层及结构转换层上方的各个楼层施工完成，对结构转换层的预应力梁的受力影响，并确定在结构转换层上方的各个楼层中对预应力梁进行张拉的楼层位置，记为张拉楼层；对结构转换层的预应力梁进行一次张拉；对结构转换层上方的各个楼层的预应力梁逐层施工，在对张拉楼层施工时，对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉。本发明通过两次张拉，使得预应力梁的整体变形比较均匀，预应力梁的受力情况与设计模型受力状态一致，避免梁受力失衡。

Description

高空大跨度弧形预应力梁施工方法
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，特别是涉及一种高空大跨度弧形预应力梁施工方法。
背景技术
随着经济发展，人们对建筑功能的多样性的要求越来越高，而建筑物的高度与跨度是实现建筑物功能多样性的重要因素。高空大跨度弧形预应力梁利用高强度钢绞线和高强混凝土共同作用，可以减小梁的截面尺寸，减轻自重，增大梁的承载能力，广泛应用于存在架空空间区域的高层建筑物的施工中。在架空高层建筑物的施工过程中，在架空区域上方的转换层及以上楼层设置预应力梁承受上部荷载。目前，对预应力梁施工时，通常采用一次张拉法对预应力筋进行张拉，但是，由于预应力筋张拉完成后，预应力施加完成，而转换层以上的楼层结构尚未施工，结构荷载未传递到转换层的预应力梁上，将导致施工现场工况与设计模型受力状态不符，使得转换层的预应力梁受力失衡，易引起弧形预应力梁反向破坏。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种高空大跨度弧形预应力梁施工方法，以解决现有的预应力梁施工采用一次张拉法对预应力筋进行张拉，易导致转换层的预应力梁受力失衡，引起弧形预应力梁反向破坏的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述高空大跨度弧形预应力梁施工方法，包括：
步骤S1，获取建筑物结构中的结构转换层的位置；
步骤S2，构建建筑物结构的三维有限元模型，并构建结构转换层以及结构转换层上方的各个楼层的预应力梁的受力模型；
步骤S3，根据受力模型逐层分析结构转换层及结构转换层上方的各个楼层施工完成，对结构转换层的预应力梁的受力影响，并根据受力影响结果确定在结构转换层上方的各个楼层中对预应力梁进行张拉的楼层位置，记为张拉楼层；
步骤S4，对结构转换层的预应力梁进行一次张拉；
步骤S5，对结构转换层上方的各个楼层的预应力梁逐层施工，其中，在对张拉楼层施工时，对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉。
优选地，所述步骤S3包括：
施工结构转换层，使得结构转换层的强度达到设计强度；
向结构转换层的预应力梁同时施加第一阶段预应力和第二阶段预应力，计算结构转换层的预应力梁的变形量；
判断结构转换层的预应力梁的变形量是否超过预设阈值范围，若结构转换层的预应力梁的变形量超过预设阈值范围，则对结构转换层的预应力梁仅施加第一阶段预应力，再次计算结构转换层的预应力梁的变形量，记为初始变形量；
依次施工结构转换层上方的各个楼层，并对结构转换层上方的各个楼层的预应力梁施加第二阶段预应力和不施加第二阶段预应力所对应的结构转换层的预应力梁的变形量进行分别计算，分别记为第一变形量和第二变形量；
比较第一变形量、第二变形量与初始变形量的差值，记为变形量差值；
将变形量差值最小的第一变形量或第二变形量对应的施工楼层，记为张拉楼层。
优选地，所述步骤S1之后，还包括：
在结构转换层的下方搭建梁支撑结构；
根据三维有限元模型对建筑物结构的施工过程进行模拟分析，得到施工参数；
根据施工参数确定梁支撑结构的参数信息。
优选地，所述高空大跨度弧形预应力梁施工方法还包括：
在预应力梁和梁支撑结构上各设置多个监测点，分别监测预应力梁和梁支撑结构的变形是否处于设定范围内。
优选地，还包括：在对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉后，拆除梁支撑结构。
优选地，所述步骤S4包括：
计算预应力筋的理论张拉伸长值；
安装预应力张拉端头；
铺设波纹管；
穿设预应力筋；
在预应力筋的张拉端部设置灌浆孔；
自灌浆孔浇筑混凝土；
将预应力筋自千斤顶的前端穿入，直至千斤顶的顶压器顶住锚具；
按照混凝土浇筑的顺序张拉预应力筋，使得预应力筋的张拉力达到设计张拉力。
优选地，按照混凝土浇筑的顺序张拉预应力筋时，先对称张拉梁中的各束预应力筋，再对称张拉板中的预应力筋。
优选地，对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉的步骤与对转换层的预应力梁进行一次张拉的步骤相同。
本发明实施例一种高空大跨度弧形预应力梁施工方法与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明实施例的高空大跨度弧形预应力梁施工方法，通过构建建筑物结构中的预应力梁的受力模型，根据受力模型逐层分析结构转换层及结构转换层上方的各个楼层施工完成，对结构转换层的预应力梁的受力影响，并根据该受力影响结果确定进行二次张拉的张拉楼层，分别对结构转换层的预应力梁进行一次张拉，对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉，使得预应力梁的整体变形比较均匀，预应力梁的受力情况与设计模型受力状态一致，从而避免转换层的预应力梁受力失衡。
附图说明
图1是本发明实施例所述高空大跨度弧形预应力梁施工方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中预应力梁的受力模型示意图；
图3是本发明实施例中9层楼面施工完成后施加第一阶段预应力和第二阶段预应力的变形结果示意图；
图4是本发明实施例中9层楼面施工完成后仅施加第一阶段预应力的变形结果示意图；
图5是本发明实施例中10层楼面施工完成后保持第一阶段预应力且不施加第二阶段预应力的变形结果示意图；
图6是本发明实施例中10层楼面施工完成后保持第一阶段预应力且施加第二阶段预应力的变形结果示意图；
图7是本发明实施例中11层楼面施工完成后保持第一阶段预应力且不施加第二阶段预应力的变形结果示意图；
图8是本发明实施例中11层楼面施工完成后保持第一阶段预应力且施加第二阶段预应力的变形结果示意图；
图9是本发明实施例中12层楼面施工完成后保持第一阶段预应力且不施加第二阶段预应力的变形结果示意图；
图10是本发明实施例中12层楼面施工完成后保持第一阶段预应力且施加第二阶段预应力的变形结果示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明所述高空大跨度弧形预应力梁施工方法应用于高空架空建筑物结构的预应力梁的施工。
如图1所示，本发明实施例的一种高空大跨度弧形预应力梁施工方法，包括以下步骤：
步骤S1，获取建筑物结构中的结构转换层的位置，以便于确定建筑物结构中各个预应力梁的位置；
步骤S2，构建建筑物结构的三维有限元模型，并构建结构转换层以及结构转换层上方的各个楼层的预应力梁的受力模型；
步骤S3，根据受力模型逐层分析结构转换层及结构转换层上方的各个楼层施工完成，对结构转换层的预应力梁的受力影响，并根据受力影响结果确定在结构转换层上方的各个楼层中对预应力梁进行张拉的楼层位置，记为张拉楼层；
步骤S4，对结构转换层的预应力梁进行一次张拉；
步骤S5，对结构转换层上方的各个楼层的预应力梁逐层施工，其中，在对张拉楼层施工时，对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉。
本发明通过构建建筑物结构中的预应力梁的受力模型，根据受力模型逐层分析结构转换层及结构转换层上方的各个楼层施工完成，对结构转换层的预应力梁的受力影响，并根据该受力影响结果确定进行二次张拉的张拉楼层，分别对结构转换层的预应力梁进行一次张拉，对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉，通过两次张拉，使得预应力梁的整体变形比较均匀，预应力梁的受力情况与设计模型受力状态一致，从而避免转换层的预应力梁受力失衡。并且，通过两次张拉，可避免在预应力张拉前上部结构暂时无法进行施工的情况，减小预应力张拉对现场施工进度的影响。
本实施例中，所述步骤S1之后，还包括：在结构转换层的下方搭建梁支撑结构；根据三维有限元模型对建筑物结构的施工过程进行模拟分析，得到施工参数；根据施工参数确定梁支撑结构的参数信息(包括支撑架横杆、立杆尺寸、间距等)。其中，施工参数包括向预应力梁施加的荷载、混凝土材料特性等。
通过构建三维有限元模型可直观模拟超高、超大跨度、弧形预应力梁在施工过程中的真实受力特征，计算分析转换层及上部楼层逐层加载过程中梁支撑结构的受力，并且，根据建筑物结构的整体受力分析情况(包括内力、应力及应变等)，通过模型分析、施工阶段划分以及施加荷载，分析转换大梁受力及荷载传递情况。
其中，在对三维有限元模型进行构建时，采用以下假定：采用结构静力计算体系的框架结构刚性体系，将梁简化为矩形截面平直梁；梁支撑结构搭设后活荷载均匀施加到梁支撑结构；梁支撑结构采用只受压弹簧单元进行模拟。
预应力梁由于预应力的施加及预应力筋和混凝土咬合所带来的构件受压、受拉能力增强，加之首次张拉和二次张拉期间由于上部结构未及时施工，易造成预应力梁向上反拱；同时由于预应力筋分两次施加，结构恒载、施工活载等荷载是逐层逐步加大的，荷载对支撑体系有一定的累加作用，优选地，所述高空大跨度弧形预应力梁施工方法还包括：在预应力梁和梁支撑结构上各设置多个监测点，分别监测预应力梁和梁支撑结构的变形是否处于设定范围内，避免梁支撑结构失效。其中，超大跨度弧形预应力梁的结构变形包括：弧形预应力梁受自重及施工荷载影响，产生的向下变形；弧形预应力梁首次施加预应力后，因此时未施加上部荷载，产生的向上挤压变形，弧形预应力梁上截面易产生拉裂；第二次预应力张拉至顶层结构施工完成的过程，梁截面受力逐渐达到设计状态的过程，此时梁内力及变形逐渐达到稳定，最终趋向于平衡。梁支撑结构的变形包括：首次预应力张拉前高支模架体的沉降变形；首次预应力张拉后结构荷载部分抵消，高支模架体向上反弹；第二次预应力张拉至架体拆除过程，随着上部结构施工，竖向向下变形重新恢复。
进一步地，对梁支撑结构的变形监测包括垂直位移监测和水平位移监测，其中，垂直位移监测使用水准仪进行观测，观测点用长120mm的A8钢筋固定在各跨梁板中间位置，并将观测点与周边的梁板钢筋点焊固定好；水平位移监测使用圆锥形线锤进行观测，在每个观测点处悬挂1kg重的圆锥形线锤，线锤直接下垂到楼面处，并略比楼面高5mm，在下面楼面用3mm大的钢钉做好标记，并用经纬仪进行观测，看观测点是否发生水平位移。
进一步地，在对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉后，拆除梁支撑结构，以降低梁支撑结构的拆除对弧形预应力梁的受力产生的影响。
本实施例中，所述步骤S3包括：
施工结构转换层，使得结构转换层的强度达到设计强度；
向结构转换层的预应力梁同时施加第一阶段预应力和第二阶段预应力，计算结构转换层的预应力梁的变形量；
判断结构转换层的预应力梁的变形量是否超过预设阈值范围，若结构转换层的预应力梁的变形量超过预设阈值范围，则对结构转换层的预应力梁仅施加第一阶段预应力，再次计算结构转换层的预应力梁的变形量，记为初始变形量；
依次施工结构转换层上方的各个楼层，并对结构转换层上方的各个楼层的预应力梁施加第二阶段预应力和不施加第二阶段预应力所对应的结构转换层的预应力梁的变形量进行分别计算，分别记为第一变形量和第二变形量；
比较第一变形量、第二变形量与初始变形量的差值，记为变形量差值；
将变形量差值最小的第一变形量或第二变形量对应的施工楼层，记为张拉楼层。
通过受力模型对逐层施工各层时结构转换层的预应力梁受力分析，模拟对转换层以上各楼层的预应力梁进行张拉时，对结构转换层的预应力梁的受力影响，得到对结构转换层的预应力梁的整体变形影响较小的张拉楼层的位置。在实际施工过程中，可分别在结构转换层的预应力梁施工时进行一次张拉，在张拉楼层的预应力梁施工时进行二次张拉，通过模拟结果预先确定实际施工的张拉楼层，提高施工效率且施工质量。
本实施例中，对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉的步骤与对转换层的预应力梁进行一次张拉的步骤相同。以对转换层的预应力梁进行一次张拉的步骤为例进行说明。
所述步骤S4包括：
计算预应力筋的理论张拉伸长值；其中，理论张拉伸长值的计算公式为现有技术；
安装预应力张拉端头；具体地，先将非预应力筋骨架铺设好后，按设计图纸和施工组织设计图将喇叭管安装在端模或非预应力筋骨架上；
铺设波纹管，按照图纸位置铺设波纹管，每隔1.5m左右绑扎一道架立筋；铺设波纹管时，波纹管的两端插入已经定位的喇叭管中，并使用胶带将波纹管与喇叭管的连接处缠绕密封，避免漏浆；并且，在铺设波纹管时，要保证波纹管的横向位置沿中心线或对称与中心线，避免波纹管打弯；
穿设预应力筋，由锚固端向张拉端穿设，避免预应力筋扭曲；若现场锚固端无穿筋位置，则波纹管与预应力筋先组装好，与非预应力筋同步进行；
在预应力筋的张拉端部设置灌浆孔，在固定端处设置一个排气孔(兼泌水孔)，排气孔用增强塑料管留设，并高出梁面500mm；若预应力筋为连续跨，在中间每个最高点处或波纹管上设置排气孔；
自灌浆孔浇筑混凝土，其中，在浇筑混凝土之前还包括封堵孔洞的步骤，包括排气口、喇叭管、灌浆管、波纹管端口等孔洞，避免漏浆；
将预应力筋自千斤顶的前端穿入，直至千斤顶的顶压器顶住锚具，其中，若需要使用斜垫片或变角器，则先将斜垫片或变角器穿入，再穿千斤顶；
按照混凝土浇筑的顺序张拉预应力筋，使得预应力筋的张拉力达到设计张拉力，然后顶紧锚具，退出千斤顶；具体地，油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到2.5MPa时，停止加压；调整千斤顶的位置，继续加压，直至达到设计要求的张拉力；当千斤顶行程满足不了所需伸长值时，中途可停止张拉，作临时锚固，倒回千斤顶行程，再进行第二次张拉；张拉时，控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。
进一步地，按照混凝土浇筑的顺序张拉预应力筋时，先对称张拉梁中的各束预应力筋，再对称张拉板中的预应力筋，其中，在一根梁中，预应力筋的张拉应在梁中轴线两侧对称进行；在一块板中，预应力筋也应在板中轴线两侧对称进行张拉。
进一步地，在张拉预应力筋的步骤之后，还包括校核步骤：张拉前逐根测量外露预应力筋的长度，作为张拉前的原始长度；张拉后再次测量预应力筋的外露长度，减去张拉前的原始长度，计算得到预应力筋的实际伸长值；将预应力筋的实际伸长值与理论张拉伸长值进行比较，若偏差在允许的偏差范围内(±6％)，则张拉满足要求；若偏差不在允许的偏差范围内，则张拉的伸长值不满足要求，需停止张拉。
进一步地，在校核步骤之后，还包括灌浆步骤，灌浆液用标号不低于42.5号的普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4－0.45，并掺入适量膨胀剂。浆料要充分搅拌均匀，插入灌浆泵前浆料也应过筛，应从灌浆孔内一次灌满整根孔道，尽量避免中途停灌。孔道浆体灌满后，应保持压力静停3－5分钟。孔道灌浆后，端部锚具用同强度等级细石混凝土封闭。
以建筑物结构为13层高层建筑物，2～9层中间部分区域为架空区域，局部位置为首层至9层架空，最大架空高度达到31.8m，包含4道转换预应力梁。9层大跨度梁布置有粘结预应力筋，梁截面尺寸为1000*2600mm，跨度为27m，有粘结预应力筋应用量约10吨。
构建四道预应力梁的受力模型，如图2所示，考虑到预应力梁的跨度较大，受力模式为简支梁状态，9～12层楼面的恒荷载及自重为SD1、SD2、SD3、SD4。
当9层楼面施工完成后，即施加第一阶段预应力PRE1及第二阶段预应力PRE2时，其变形工况为SD1+PRE1+PRE2，结果如图3所示。梁会出现反向扰度，因此一开始不宜将预应力PRE1与PRE2同时施加，应分步骤进行。
考虑分步骤进行，当施工完9层楼面并满足混凝土强度后，施加第一阶段预应力PRE1，则在SD1+PRE1工况下，梁变形计算结果如图4所示，梁变形无上反现象，且梁变形整体较小，最大变形约7mm，达到了施加预应力的应用目的。
当施工完10层楼面并满足混凝土强度后，保持第一阶段预应力PRE1，则在SD2+PRE1工况下，梁变形计算结果如图5所示；假设施加第二阶段预应力PRE2，则在SD2+PRE1+PRE2工况下，梁变形计算结果如图6所示，梁变形无上反现象，且梁变形整体较小，最大变形约5.2mm，比第一阶段变形要小。
当施工完11层楼面并满足混凝土强度后，保持第一阶段预应力PRE1，则在SD3+PRE1工况下，梁变形计算结果如图7所示；当施工完11层楼面并满足混凝土强度后，施加第二阶段预应力PRE2，则在SD3+PRE1+PRE2工况下，梁变形计算结果如图8所示，梁变形无上反现象，且梁变形整体较小，最大变形约7.7mm，与第一阶段变形基本一致，达到了施加预应力的应用目的。
当施工完12层楼面并满足混凝土强度后，保持第一阶段预应力PRE1，则在SD4+PRE1工况下，梁变形计算结果如图9所示；当施工完12层楼面并满足混凝土强度后，施加第二阶段预应力PRE2，则在SD4+PRE1+PRE2工况下，梁变形计算结果如图10所示，梁变形无上反现象，且梁变形整体较小，最大变形约10.5mm，与第一阶段变形基本一致，达到了施加预应力的应用目的。
根据受力模型逐层分析结构转换层及结构转换层上方的各个楼层施工完成，对结构转换层的预应力梁的受力影响汇总至下表1中。
表1
如上表1所示，预应力梁的最大竖向挠度在10层施加预应力及11层施加第二阶段预应力变化值均比较均匀，综合考虑梁支撑结构架体的拆模时间应在新浇筑楼层梁板终凝前保留两层完整架体等因素，最终确定，在9层施工完成后施加第一阶段预应力，10层施工完成后，保持第一阶段预应力，在11层施工完成后施加第二阶段预应力，12层施工完成后，保持第二阶段预应力，预应力梁整体变形比较均匀，约7～10mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高空大跨度弧形预应力梁施工方法，其特征在于，包括：
步骤S1，获取建筑物结构中的结构转换层的位置；
步骤S2，构建建筑物结构的三维有限元模型，并构建结构转换层以及结构转换层上方的各个楼层的预应力梁的受力模型；
步骤S3，根据受力模型逐层分析结构转换层及结构转换层上方的各个楼层施工完成，对结构转换层的预应力梁的受力影响，并根据受力影响结果确定在结构转换层上方的各个楼层中对预应力梁进行张拉的楼层位置，记为张拉楼层；
步骤S4，对结构转换层的预应力梁进行一次张拉；
步骤S5，对结构转换层上方的各个楼层的预应力梁逐层施工，其中，在对张拉楼层施工时，对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉;
所述步骤S3包括：
施工结构转换层，使得结构转换层的强度达到设计强度；
向结构转换层的预应力梁同时施加第一阶段预应力和第二阶段预应力，计算结构转换层的预应力梁的变形量；
判断结构转换层的预应力梁的变形量是否超过预设阈值范围，若结构转换层的预应力梁的变形量超过预设阈值范围，则对结构转换层的预应力梁仅施加第一阶段预应力，再次计算结构转换层的预应力梁的变形量，记为初始变形量；
依次施工结构转换层上方的各个楼层，并对结构转换层上方的各个楼层的预应力梁施加第二阶段预应力和不施加第二阶段预应力所对应的结构转换层的预应力梁的变形量进行分别计算，分别记为第一变形量和第二变形量；
比较第一变形量、第二变形量与初始变形量的差值，记为变形量差值；
将变形量差值最小的第一变形量或第二变形量对应的施工楼层，记为张拉楼层。
2.根据权利要求1所述的高空大跨度弧形预应力梁施工方法，其特征在于，所述步骤S1之后，还包括：
在结构转换层的下方搭建梁支撑结构；
根据三维有限元模型对建筑物结构的施工过程进行模拟分析，得到施工参数；
根据施工参数确定梁支撑结构的参数信息。
3.根据权利要求2所述的高空大跨度弧形预应力梁施工方法，其特征在于，所述高空大跨度弧形预应力梁施工方法还包括：
在预应力梁和梁支撑结构上各设置多个监测点，分别监测预应力梁和梁支撑结构的变形是否处于设定范围内。
4.根据权利要求2所述的高空大跨度弧形预应力梁施工方法，其特征在于，还包括：在对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉后，拆除梁支撑结构。
5.根据权利要求1所述的高空大跨度弧形预应力梁施工方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
计算预应力筋的理论张拉伸长值；
安装预应力张拉端头；
铺设波纹管；
穿设预应力筋；
在预应力筋的张拉端部设置灌浆孔；
自灌浆孔浇筑混凝土；
将预应力筋自千斤顶的前端穿入，直至千斤顶的顶压器顶住锚具；
按照混凝土浇筑的顺序张拉预应力筋，使得预应力筋的张拉力达到设计张拉力。
6.根据权利要求5所述的高空大跨度弧形预应力梁施工方法，其特征在于，按照混凝土浇筑的顺序张拉预应力筋时，先对称张拉梁中的各束预应力筋，再对称张拉板中的预应力筋。
7.根据权利要求1或5所述的高空大跨度弧形预应力梁施工方法，其特征在于，对张拉楼层的预应力梁进行二次张拉的步骤与对转换层的预应力梁进行一次张拉的步骤相同。
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