预应力混凝土框架

预应力混凝土框架（精选8篇）

预应力混凝土框架 篇1

在建筑行业的运行过程中, 大跨度预应力技术应用越来越普遍了。因为大跨度预应力混凝土框架结构, 在工程施工中的应用是科学合理的。并取得了很好的建筑应用效果。深受消费者的喜爱和信赖。所以, 目前应用的区域非常广, 特别是大跨度连续框架结构结构的工程中, 更是离不开它。因此, 我们今天就来粗浅地谈一谈大跨度预应力混凝土框架的设计, 以便更好地探讨这方面的经验和做法, 更好地为社会建造出更高要求的新型建筑。

1 大跨度预应力混凝土框架的设计要点

(1) 现在的建筑工程设计中, 采用大跨度预应力混凝土框架结构, 它的结构形式也是根据工程建筑的类型需要, 有设计成网架结构的, 有设计成网壳结构的, 还有设计成膜结构和薄壳结构的, 尽管设计形式不同, 但是他们的设计要点都是相同的, 那就是要科学合理地按混凝土各项指标和结构的力度要求来设计, 无论是使用钢一混凝土还是预应力混凝土都得这样做。如果一旦背离了技术要求, 那么就会给框架造成危害, 后果不堪设想。由于预应力技术由于能解决大跨度结构中混凝土梁的刚度问题, 很好的控制结构的裂缝和挠度, 具有良好的经济性能, 所以, 我们还要进行正确的钢筋布置。在大跨度的建筑区域中, 我们通常用到的钢筋是不弯气的, 而在在靠近柱的地方是让预应力钢筋弯起。预应力梁与柱子节点区便于布置抗冲切钢筋, 抗冲切性能好, 才能对板柱体系结构有帮助, 在遇到荷载打的时候, 我们需要用暗梁或者是把它的横向加宽, 这样就解决了荷载问题。预应力扁梁结构抗剪承载力并不小于普通梁柱结构。在这里, 我们必须明确, 在大跨度预应力混凝土钢筋结构设计的过程中, 首先应设计好钢筋的布置方案。这是最重要的。钢筋布置的形式有很多样:最常用的是在跨中板带中占1/3左右, 另2/3钢筋布置在柱上板带中。柱宽尚应满足梁的预应力筋和柱纵筋的布置要求。为了使预应力锚具不和局部承压钢筋网发生冲突, 必须把梁顶纵筋伸至柱边后应向上弯折。

(2) 在平面布置钢筋的时候, 要让柱子较长的一边宜垂直于梁的轴线方向, 对于框架梁及其固定端, 其预应力框架张拉、固定端施工都在梁柱节点的区域范围内进行。这里要求我们对要先计算出结构构件竖向作用力和横向作用力的数据承载情况, 然后把支座和跨中的截面面积进行调整和调幅计算。有时轴由于压缩的力大而变了形, 它对柱就产生了加大的附加弯矩这是大梁被施加预应力的原因, 应采用对大梁进行多跨连续布置的方法, 解决钢筋布设问题。让很多排柱一起参与工作, 作用力自然会减轻下来了。在实际运用当中, 我们常常发现预应力对柱子产生的弯矩要比柱子本身的竖向荷载弯矩小。所以我们考虑到它的影响并不大。另外, 在工程施工中, 要想提高混凝土结构的抗震性能, 我们应该选用“竖向预应力加固普通钢筋混凝土的结构”来增强它的抗震性能, 进而提高结构抵抗水平荷载的能力, 同时在地震之后又能很快地复原。设计预应力钢筋张拉与锚固区域时, 最好是在梁和柱的侧面和底部, 并以加腋的形式呈现出来, 以此达到预设的效果。

2 大跨度预应力混凝土框架设计的问题

(1) 涉及到板的受力状况时, 我们应注意, 预应力在框架的正弯矩区域弯起, 那么负弯矩区域就集中在了柱的附近, 这时, 对半的受力极为不利。这是应该在设计中考虑到的问题。我们许多企业, 都是把预应力筋的设计与施工全部交给施工单位处理, 而工程设计人员都是按普通混凝土梁、柱的设计方法来设计预应力框架的梁和柱, 这样一来就会给施工带来许多麻烦, 使预应力框架的质量难以保证。特别是, 人们常忽视预应力钢筋混凝土楼板的防火问题, 钢筋混凝土虽然不是易燃材料, 实际上防火隔热性能较差, 当温度达到临界点时, 预应力钢筋的屈服点开始下降, 蠕变加快, 致使预应力板的强度、刚度迅速下降, 使板的挠度变化加剧, 板下面出现裂缝。预应力度大的结构受温度影响大, 抗火性能差。预应力筋的有效应力大的结构, 其抗火性能比有效应力小的结构差。大多设计人员对预应力混凝土的基本概念、对不同阶段荷载作用下预应力筋及非预应力筋的应力变化情况和裂缝的开展等情况并不清楚。

(2) 由于温度的应力和不均匀的沉降等方面的影响, 造成了预应力拉张后, 沿着梁的方向上又出现了许多条细小的垂裂的缝隙。而且排列还很均匀。这是常出现的问题之一。容易出现的第二个问题是:布设当中的“四段抛物线结构形式”, 极易造成边跨梁附近应力过大, 出现梁的承载隐患。

3 大跨度预应力混凝土框架结构设计方法

(1) 对于大跨度预应力混凝土框架结构的材料选择而言。我们是这样认为的, 柱的纵向钢筋应尽量选用直径较粗的, 用以减少钢筋的根数, 这样还便于施工。如果要选用直径在28mm以上的钢筋时, 应在设计中特别注明要采用机械连接, 以保证施工质量。其次, 我们现在的建筑中, 像影剧院、体育馆、展览馆这样的大型公共建筑和工业建筑中的大厂房、大型仓库等才涉及到用大跨度工程设计。这样就要求我们的设计人员, 在设计出现预应力筋合理布置时, 要强调指出预应力钢筋布设的要求。第三, 施工设计时, 应综合考虑预应力钢筋的弯矩、剪力、扭矩和轴力的共同作用, 以及构造及施工上的可行性。将预应力钢筋伸过节点区域, 在梁中进行锚固与张拉。

(2) 由于施工进度的不同, 我们还会遇到预应力混凝土梁框架结构的变化现象, 主要是在不同的施工阶段, 它的内力变化情况与普通混凝土梁是有区别的, 我们在设计预应力框架时应该注意这一点。同时还要掌握好框架柱伸出屋面要与女儿墙一样高, 这是为了梁顶纵筋和柱纵筋的锚固更方便些。如果遇到预应力钢筋布设特别多时, 我们的施工人员要分批分段进行张拉与锚固。同时在施工时应保证分批张拉的间距, 不得小于1000 mm, 预留斜槽在张拉时需利用变角器进行张拉。预应力梁的裂缝宽度也应按照同级的普通混凝土梁的要求来控制。如果一旦遇到有些建筑的框架结构跨度较大时, 我们就应在楼梯之间框架结构的设计过程中把支柱和平台梁的连接用柱箍加密, 保证其性能, 使它即坚固又安全。

(3) 我们的设计者, 在设计中, 还要严格控制框架的轴压比。这也是设计中比较重要的地方。我们把单跨预应力梁截面延伸到连续结构的效果, 将其设计成连续结构, 这种设计的优势还是很大的。因为多跨结构在超载情况下, 内力重分布能力强, 可提高受弯承载力。正因如此, 在设计时, 我们的设计者就应该根据预应力筋连续布置的特点进行这样的设计。设计人员应注意在使用荷载作用下预应力混凝土梁截面各阶段的应力变化和梁裂缝开展的情况。采用有粘结预应力技术解决大跨度混凝土梁的挠度和抗裂问题。我们清楚, 是反用到预应力混凝土框架结构施工的工程建筑物, 他们的跨度都是比较大的。所以所用到的钢筋也多, 在接筋处要给锚具留出一定的位置。这样的工程的框架柱往往应选用较粗的钢筋甚至要配双排钢筋, 否则就达不到工程质量的要求。随着高效预应力技术在我国建筑行业的迅速发展, 我们已制定了专门的预应力结构设计、施工规程, 工程中应用的预应力结构体系也越来越丰富, 在很大程度上, 满足了我们的建筑工程的需要。

4 结束语

建筑企业要想增加其效益, 就得在大跨度预应力混凝土设计中遵循设计原则, 科学地掌控这种技术的自身特点。同时广泛的应用大跨度预应力混凝土结构进行建筑施工, 会显著增加建筑企业的经济效益。预应力混凝土结构现在以其大跨度、大空间、良好的结构整体性能以及有竞争力的综合经济效益, 正逐步成为现代建筑结构形式的发展主流趋势。这一点是有目共睹的。

参考文献

[1]沈倩倩.大跨度预应力混凝土框架结构的设计分析[D].合肥工业大学, 2014.

[2]张林振.预制预应力混凝土框架结构抗震设计有关问题研究[D].东南大学, 2006.

预应力混凝土框架 篇2

关键词：预应力锚索；框架梁；应用

中图分类号：U417.1 文献标识码：B 文章编号：1674-3954（2013）21-0304-01

预应力锚索框架梁是由预应力锚索和框架梁共同构成的一种新型体系。通过成孔把钢绞线固定于地层深部，锚索端部通过张拉产生预应力，从而达到边坡稳定和限制其变形的目的，通过10d高速高边坡的加固浅谈锚索框架梁的施工。

1 工程概况

陕西境白河至安康高速K59+200-K59+315左侧，设计为三级边坡，防护形式为C20混凝土窗孔式护面墙，二级平台顶设置抗滑桩。在二级边坡和三级边坡防护施工完毕后，一级边坡开挖部分高度后，二级边坡发生了不同程度的垮塌。

2 治理方案

2.1 原因分析

边坡垮塌主要原因是坡体地层以松散状碎石土和全强风化绢云母石英片岩为主，结构疏松，粘结性低，自稳能力差，山体破碎，施工开挖减少了坡脚支撑，并受降雨的影响，坡体产生了滑塌破坏。

2.2 治理方案

治理施工顺序的安排：先进行未坍塌的边坡加固，然后施工塌方段，塌方段施工时清理出一榀框架梁的位置，立即进行锚索及框架梁的施工，然后清理下一榀框架梁的位置，如此反复施工。

加固措施布设如下：①在未坍塌的二级窗孔护面墙坡脚，边坡中部各增设一道锚索横梁，锚索间距3m，坡脚横梁锚索长度为25m、边坡中部横梁锚索长度为30m，在三级窗孔护面墙坡脚增设一道锚索横梁，锚索位置和二级边坡一二排锚索交错布置，间距3m，长度40m：②一级边坡及二级边坡坍塌部分采用锚索框架梁加固，一级边坡锚索长度为25m、30m，二级边坡锚索长度分别为30m、35m，边坡坍塌部分采用同框架梁同宽度加深至垮塌坡面，加深部分采用同标号混凝土嵌补，有利于锚索框架梁的受力稳定，并在抗滑桩顶向下1m处增设一道钢筋混凝土隐形横梁连接抗滑桩，横梁施做时先凿出抗滑桩钢筋，使横梁钢筋与抗滑桩钢筋连接，其目的是所有抗滑桩成为一受力整体，框架梁中间部分采用编织袋装土码砌，表面种草绿化；③锚索规格：锚索采用8根φ15.24mm钢绞线编束，内锚固长度为10～15m，角度为25°，设计张拉力为800kN；④排水：坡顶设置山坡截水沟，平台顶设置平台截水沟，平台剩余部分采用混凝土封面处理，防止雨水下渗，坡脚设置路基边沟、盲沟，并且在第一、二、三级坡面抗滑桩之间设置三排仰斜式排水孔，每排到坡脚平台的铅垂距离分别为1m、3.5m和6m，每根长20m。

3 施工药店

（1）锚索工程

①施工顺序为：锚索成孔（锚索制作）→锚索安装→锚孔注浆→框架梁的施工→锚索张拉→锚头封闭。

⑦锚索成孔前首先清理场地，测量技术员按照设计位置在边坡坡面准确放出锚索孔的位置，并用喷漆明确标示，顺着边坡搭设水平宽度为2.0m的脚手架，特别在锚索孔位置的水平钢管要精确定位，便于锚索机器准确、方便的定位，在此层脚手架上铺设木板形成工作平台，木板要固定牢靠，成孔机器用倒链或其它起吊设备起吊至平台，先准确定出钻头位置，然后根据设计要求的倾角升降钻架，保证倾角符合設计要求后，开钻钻进（钻头为15cm），钻进过程中宜采用风动钻进。钻孔应加长0.5m沉渣段，钻孔完毕后用高压风清孔。

③锚索成孔后要及时验孔，孔径一般采用直尺量测及钻进前对钻头的量测，孔深采用单根钢绞线穿孔进行量测，最后还要量测孔位及倾角。

④为了保证成孔后能够及时按设锚索，防止塌孔，在钻孔过程中同时（或者提前）加工锚索，锚索按照设计长度增加0.7m进行下料制作（0.7m为张拉时的工作长度），锚索自由端用直径稍大钢绞线直径的软塑料管逐根包裹，确保压浆后自由端能够伸缩，每两米设置一架线环，架线环固定锚索时逐根固定，防止互相缠绕，并且在架线环中间设置一根能抽拔的PVC管，保证锚孔底能够完全注浆，锚索端头设置一导向尖壳，便于穿束，锚索安装就位后，及时进行注浆，用已有的注浆管和原来预留的注浆管进行对接，注浆管管口压力≥0.5MPa，边注浆边缓慢抽出预留的注浆管，砂浆初凝后应及时进行二次补浆，保证钻孔砂浆饱满。

⑤锚索施工完毕后进行框架梁的施工，框架梁施工时重新进行放样，梁体内钢筋安设要横平竖直，便于模板准确定位，伸入框架梁部分的锚索束用PVC管包裹，防止混凝土包裹锚索，混凝土采用吊车浇筑，伸缩缝处加设泡沫板。

⑥锚索张拉应在注浆强度及框架梁强度达到设计强度80%以上进行，采取单根分级张拉，张拉至设计拉力的105%，持荷5min，卸荷至设计拉力100%，进行锁定，最后采用与框架梁同标号的混凝土封锚。

（2）施做锚索横梁、锚索框架梁时，必须先将坡面危石及框架梁与坡面接触地方的虚方清除，同时应注意治理工程与两侧坡体的平顺过渡，保证线型顺直美观。

（3）施工时设置监测点，并且及时进行监测，并做好记录，作为现场调整依据。

（4）治理工程施工中，应注意治理段落内的排水系统与原设计平顺衔接，保证排水畅通。

4 结束语

预应力混凝土框架 篇3

型钢混凝土柱较普通钢筋柱具有刚度大、承载力高、断面尺寸小及抗震性能好等优点。带预应力钢筋的混凝土梁较普通混凝土梁相比能够显著改善结构正常使用极限状态的限制。为此,将预应力混凝土梁和型钢混凝土柱相结合的新型结构具有广阔的应用前景[1,2]。

2 有限元模型

1)整体式模型:把单元视为连续均质材料,将钢筋弥散于单元中。钢筋对整个结构的作用通过调整单元的材料力学性能来体现。整体式模型可采用ANSYS中各种平面单元或三维单元。这种单元的精度很低,它无法揭示钢筋和混凝土之间作用的微观机理;2)组合式模型:组合式模型介于分离式模型和整体式模型之间,不能考虑混凝土和钢筋间的粘结滑移。在单元分析时,分别计算混凝土和钢筋对单元刚度的贡献,组成一个复合的单元刚度矩阵。这种模型处理裂缝的方式为分布型裂缝。直接利用Solid65提供的实参数建模,其优点是建模方便,分析效率高,而缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域,且得到钢筋内力比较困难。主要用于有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件中,譬如剪力墙或楼板结构;3)分离式模型:将混凝土和钢筋分别划分成足够小的单元,按照混凝土和钢筋不同的力学性能选取不同的单元类型。分离式模型又分为两种:位移协调:不考虑粘结滑移,利用空间杆单元Link8建立钢筋模型和混凝土单元共用节点。其优点是建模比较方便,可以任意布置钢筋并可直接获得钢筋的内力。缺点是建模比整体式模型要复杂,需要考虑共用节点的位置,且容易出现应力集中而拉坏混凝土的问题,从而导致收敛问题;位移不协调:考虑粘结滑移,需引入粘结单元(ANSYS中,通常利用非线性弹簧单元Combin39,这种单元没有实际尺寸,只需布置在混凝土和钢筋的共用节点之间)。一般来说,钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土之间都有比较良好的锚固,钢筋和混凝土之间滑移带来的问题不是很严重,一般不必考虑。

3 建模所选单元

1)混凝土单元。ANSYS的Solid65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以模拟混凝土中的加强钢筋,以及材料的拉裂和压溃现象。它是在三维8节点等单元Solid45的基础上,增加了针对混凝土的性能参数和组合式钢筋模型,采用多线性等向强化模型。其本构关系采用现行GB 50010-2002混凝土结构设计规范[4]建议的两段式模型。破坏准则为5参数Willam-Warnke破坏准则。2)钢筋单元。Link8单元是一种三维单轴拉—压单元,每个节点具有三个自由度:XYZ轴向位移。它不具有抗弯能力,没有抗弯刚度,但是具有塑性、蠕变、膨胀等非线性特性。本文模型中采用Link8单元模拟普通钢筋及预应力钢筋,本构模型采用理想弹塑性模型。3)型钢单元。Shell181为4节点壳单元,该单元可以支持线性分析、材料塑性、硬化刚度、大应变和大变形分析,适合分析薄板及中厚板壳结构。

4 算例分析

一型钢混凝土柱预应力混凝土梁框架结构,跨度8.4 m,柱高1.61 m,梁柱截面尺寸如图1所示。混凝土为C35,泊松比为0.2;箍筋为HPB235级,纵筋为HRB335级,预应力筋采用ϕs15.2高强低松弛钢绞线,抗拉强度标准值为1 860 MPa,张拉控制应力0.75fptk,采用应变方式施加预应力;柱中型钢为Q235Ⅰ280×122×8.5×13.7[5]。

加载垫块及预应力筋锚具采用Solid45单元来模拟。混凝土为Solid65单元,模型如图2所示,型钢采用Shell181模型如图3所示。

普通钢筋及预应力钢筋采用Link8单元。

有限元分析采用三分点加载模式,Solid65单元设置中张开与闭合滑移面的剪切强度缩减系数分别为0.5,0.95,关闭压碎。荷载分步施加,由FCUM命令控制逐步累加荷载。跨中梁底混凝土荷载—应力曲线及荷载—挠度曲线如图4,图5所示。

由图4可知预应力筋作用下,梁底跨中混凝土受压,随着外加荷载逐渐增加,梁底混凝土由受压状态转变为受拉状态,在荷载达到120 kN左右时梁底出现裂缝;由图5可知,预应力筋作用下梁跨中上挠,随着外加荷载逐渐增加,梁跨中挠度由上挠转变为下挠,随后由弹性变形转变为弹塑性变形,最后到极限荷载状态,梁破坏。

5结语

1)采用分离式建模方式,可以精细的模拟出预应力混凝土梁型钢混凝土柱框架结构在各种荷载工况下,各构件材料的受力过程,能够有效的指导工程实践及科研试验;2)算例分析表明,合理划分单元及设置收敛准则,可以模拟结构受力的非线性全过程。

参考文献

[1]董建菲,魏巍,辛欣.型钢混凝土结构的研究发展及应用[J].陕西建筑,2009(2):5-7.

[2]陈海洲,张其林.型钢混凝土柱中型钢的板件宽厚比限值[J].同济大学学报,2009,37(5):597-600.

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

预应力混凝土框架 篇4

在预应力混凝土结构施工中, 为避免混凝土结构在预应力施加前受自重和施工活荷载作用而出现混凝土开裂 (甚或裂缝过宽难以闭合) 的不利情况出现[3], 一般均要求张拉后再拆卸梁底模板支撑。对于等效荷载平衡全部结构自重和部分活荷载的设计, 预应力梁全梁段将挠曲向上, 反拱计算较为简单。而对于等效荷载仅平衡部分结构自重的设计, 张拉形成的等效荷载将不足以使全梁段反拱向上并与梁底模板脱离, 因此预应力结构还要受到模板支撑结构的约束作用。这种等效荷载仅平衡部分结构自重的预应力结构的挠曲形态的测试方法和特点分析还未见文献介绍, 该文拟对一工程实例进行施工张拉的挠曲测试, 探明预应力混凝土结构在仅平衡部分结构自重的张拉力作用下的挠曲变形形态和检测要点, 为同类条件结构的检测评定提供指导。

1 工程概况

武汉东湖会议中心工程的宴会中心大厅由8榀单跨单层的混凝土框架结构组成, 框架跨度均为40m, 柱距7.2 m, 梁顶标高为16.281~21.106 m, 如图1所示。框架梁采用后张有粘结的预应力, 设计为2束梁底布置的近直线型筋束, 以及4束曲线型筋束, 各筋束均为12根1 860 MPa级低松驰高强钢绞线。梁底模主要包括, 18mm厚9层板、50×100mm间距250mm木背枋、450mm×150mm×11.5mm×18mm双排热轧工字钢。梁底模以下的主要垂直支撑柱为630×10 mm的钢管柱, 每榀框架梁底设置6根钢管柱间距6m, 同时在梁侧各设两排48×3.0 mm纵向间距0.5 m的扣件式钢管立杆柱, 并经钢管横杆对梁底进行辅助支撑。屋面板底模竖向支撑为纵横间距0.8m的扣件式钢管立杆柱。上述支撑结构参见图1, 但图中扣件式钢管立杆柱及所有钢柱柱间剪刀撑均未示出。

2 测试方法和成果

选取两榀预应力混凝土框架 (其梁顶标高分别为21.250 m和17.920m) 进行施工张拉时的框架梁反拱效应测试, 分别测试支撑钢柱的竖向伸缩应变及柱顶与混凝土梁的竖向相对位移。如图1、图2所示, 伸缩应变测试以全部6根支撑钢柱为测点, 每根钢柱测点设置4个振弦式应变传感器, 取其平均值作为每个测点的应变值, 以消除支撑钢柱纵向挠曲的影响。竖向相对位移测试仍以6根支撑钢柱柱顶所在梁侧为测点, 在支撑钢柱柱顶和混凝土梁侧之间设置位移计进行测试。为消除预应力梁扭转的影响, 在每个测点的两侧各设置1个百分表, 测点的相对位移值取两侧百分表读数的均值。

两榀预应力混凝土框架分别在各自全部6个孔道的预应力施工张拉完成的前后, 各测点支撑钢柱的应变和框架梁竖向相对位移结果见表1、表2。

测试结果较为分散, 这主要是因为受到施工高支模结构中一些不确定因素的影响, 主要包括:在底模板下采用了大小、硬度不一的木背枋或木楔块 (对荷载产生一定程度的重分布) , 框架柱的模板支撑效应以及支撑结构中斜向支撑对荷载分布的影响等。

表2所示, 测点1和6的相对位移为零, 表明该处的混凝土梁底与支撑底模没有脱离。而测点2、3、4、5处的混凝土梁底与支撑底模均脱离, 这表明支撑钢柱已不再承受混凝土梁的自重压力而呈自由状态。因此, 表1中测点2、3、4、5处钢柱的应变即为混凝土梁自重卸除后的全部弹性恢复值, 在数值上它与自重作用下钢柱的压缩应变相等。

3 分析结论

施工模板支撑体系对预加力效应的影响是较为复杂的, 除了作为主要支撑的钢管柱对框架梁的竖向约束外, 还包括扣件式脚手架立杆对楼板自重的卸载以及框架梁底纵向钢梁对预加力的分担等。

工程实测分析的结论如下:测试所采用的支撑钢柱应变和柱顶梁底间相对位移的预应力张拉效应的测试评定方法是切实可行的;等效荷载小于结构自重的条件下, 施工张拉效应受到模板支撑约束的较大影响, 反拱形态与常见情况下的等效荷载大于结构自重的完全不同, 因此, 作为测试验证的理论分析模型应符合实际情况, 全面、细致地考虑施工期间模板支撑体系的影响。

参考文献

[1]Stallings JM, Barnes RW, Eskildsen S.Camber and Prestress Losses in Alabama HPC Bridge Girders[J].Precast/Prestressed Concrete Institute 2003, PCI Journal 48:90-104.

[2]张耀庭, 蔡张李.梁式预应力混凝土结构检测方法的研究现状[J].工业建筑, 2005, 35 (11) :83-87.

多层预应力框架结构施工技术 篇5

关键词：框架厂房,预应力,张拉方式,架体设计

0引言

随着现代建筑物的建筑要求越来越高,建筑工程技术也在不断的发展进步,建筑物结构的受力问题也逐渐成为了施工过程中亟待解决的一大问题。多层预应力框架结构施工技术能够有效的应对这一问题,在保证建筑施工质量的同时还可以有效的缩短工期,在今后的建筑行业发展中将会有广阔的应用前景。

1工程概况

某建筑工程为3层预应力框架厂房,长212 m,宽42 m,局部宽可以达到58 m,层高7.5 m,总建筑面积为28 035 m2,建筑最大跨度为19 m,在每一层的建筑设计中,横向框架主梁设计为后张法有粘结预应力体系。

2施工难点

1)在对该框架厂房进行施工时,主要包括预应力施工和主体框架施工两部分,并且这两部分的施工需要穿插进行,多个施工层次之间形成连续的施工,并且使整个施工过程呈流水线操作,除此之外还要考虑到施工现场物料的周转问题,确定具体的施工顺序。

2)预应力工程的整个施工过程中,在预应力孔道安装过程中表现出的缺陷可以说是影响施工质量的一个十分重要的因素,在实际的施工过程中,成孔缺陷的出现决定性因素有很多,所以,在现场施工中,要认真的分析施工现场的具体情况,从而有针对性的制定相应的预防措施及问题的解决措施,保证施工的顺利进行。

3)在施工中,采取单端张拉的方式具有很多明显的优势,例如施工效率高、省时省力等,但是对于施工过程中的预应力混凝土曲线孔道而言,孔道中存在着一定的摩阻损失,这是对单端张拉操作产生影响的一个关键性因素,所以,在实际的混凝土曲线孔道施工中,常采用双端张拉的方法,这一方法可以有效的减少摩阻造成的损失。

4)在预应力工程中,对整个工程的施工产生重要影响的一个因素是灌浆的质量,如果灌浆存在着缺陷,将会造成预应力工程重大的安全隐患,严重影响施工质量。

5)在多层施工进行的过程中,上层的框架先开始施工,下层的框架才开始进行预应力张拉操作,所以,这样的操作会直接导致下层框架承受较大的荷载,也就是说,为了工程的质量和施工进度的保证,在进行施工设计时,要对下层框架的承受能力进行充分的考虑。

3施工方案

3.1施工工序分析以及措施

通过对框架厂房进行分析,在进行施工时要注意施工区域划分的合理性,对施工顺序进行合理的安排,交叉进行预应力施工和框架施工两道工序,这样的施工方式可以有效的缩短工期,并且还能够在一定程度上降低材料的成本投入,缩短倒运距离。

该厂房一共分为3层,施工时可以将每层分为A,B,C 3个区域进行施工,每个区域设置2个流水施工段。对施工过程中的施工周期、周转材料投入以及倒运等因素进行综合考虑,施工工序确定如图1所示。

周转材料分为3批在施工过程中投入,每批次周转路线如下:(1)→(4)→(7),(2)→(5)→(8),(3)→(6)→(9)。这样的周转方式可以保证施工的连续性,并有效的降低生产投入,缩短倒运距离。

3.2预应力成孔

预应力工程中使用的金属波纹管是通过金属带的机械旋压咬合形成的,在选择波纹管时,要对该材料的抗渗漏性、径向的刚性、金属管外观和金属管的尺寸进行严格的检查,避免因金属管的质量问题造成成孔缺陷。

在对框架厂房进行预应力施工时,柱主筋间的净距离为8 cm,预应力梁主筋间的净距离为3.5 cm,在施工的过程中,如果梁柱接头处的钢筋相互交错,容易造成钢筋之间的相互挤压,使柱钢筋之间的净距离不符合金属管的安装要求。

木质卡具在波纹管的安装中有着重要的作用,它可以有效的控制柱筋净距离,并且这一材料取材安装也十分的简便,其支设的高度高于混凝土浇筑面10 cm,在混凝土浇筑工作完成24 h后就可以进行拆除,安装方式见图2。

3.3张拉方式

在预应力施工中,要根据锚固损失的影响长度来确定实际施工过程中的张拉方式。当锚固损失的影响长度不小于1/2时,可以采用一端张拉的方式;当锚固损失的影响长度小于1/2时,一般会采用两端张拉的方式进行施工,在本次工程中,预应力张拉施工采取的是两端张拉的方式。

3.4灌浆质量

施工中使用的灌浆料与其所选用的原材料和灌浆料的配制比例有关系。灌浆料水泥采用低碱普通硅酸盐水泥配制,同时掺加外加剂以保证水泥具有较好的相容性,在施工前必须对灌浆使用的水泥和其中的外加剂进行实验室检验,同时,对实验室的最优配比与实际的施工配比进行对比和检测,入压浆泵前先过筛,并且配制好的灌浆料需要在20 min内用完,使用过程中为了避免浆体的沉淀离析还要不停的进行搅拌。

在预应力筋张拉锚定的48 h后,就可以进行灌浆工作了。如果在还未满48 h时便进行孔道灌浆,则需要在施工中加入必要的步骤以有效的避免预应力筋腐蚀,在灌浆工作开始之前,需要清空前期工作中封堵的灌浆孔和排气孔,从而保持灌浆过程的操作流畅性,对于冲洗孔道的水要适当加压,冲洗工作结束后再利用空气将孔道中残存的积水排空。

3.5架体设计

在预应力框架结构施工过程中往往存在着高支模施工。在本次施工中,梁架的支撑架搭设工作量较大,并且架体自身较重,在下层的框架预应力张拉之前,上层的框架已经开始施工,因此,大量的上层支架荷载施加在下层预应力梁上,对下层架体的承载力和稳定性有着极大的考验。因此,在施工过程中,架体的选型和设计十分的重要。

首层的架体在施工时有着最大的承重量,因此,在进行架体设计时应该将首层的架体作为分析和研究的对象,在进行其他层的架体搭设时参照首层的设计进行。

4结语

在进行框架结构施工时,多层预应力施工技术能够有效的保证工程的施工质量,有效的缩短施工工期、降低材料成本,缩短施工过程中的材料周转和二次搬运距离,为工程建设带来更好的质量保证和更高的利润,多层预应力框架结构施工技术在将来的建筑工程中将会有更加广阔的发展前景。

参考文献

[1]段逸.多层预应力框架结构施工技术[J].天津建设科技,2013(4):11-13.

[2]刘佳明.探析建筑工程框架结构施工技术[J].黑龙江科技信息,2013(7):15-17.

[3]赵林.大跨度预应力混凝土设计与施工分析[D].合肥:合肥工业大学,2014:150-153.

[4]李金根,姚明明.多层现浇预应力混凝土框架结构施工[J]施工技术,2006(10):51-52.

预应力混凝土框架 篇6

1 黄土地区预应力锚杆锚固机理

预应力锚杆的作用机理与极限抗拔承载力研究锚杆是一种新型有效的锚固技术, 是通过锚杆将结构物锚固在稳定、坚实的岩土地层或坚硬土层中, 利用周围地层的抗剪强度来抵抗结构物传来的拉力[1]。目前对预应力锚杆的研究主要表现在作用机理和极限抗拔承载力的研究。陈妙峰等[2]为研究钢管岩石锚杆的锚固机理, 模拟实际情况制作试验模型并进行了静载作用下模型的拉拔试验, 通过对试验结果的研究与分析, 得到了沿锚杆的轴力与粘结应力的分布规律。陈荣等[3]设计了一系列室内试验对砂固结预应力锚杆作了深入研究, 并基于试验成果对砂固结锚固机理作了探讨。高永涛等得出预应力锚杆承载过程中的锚杆轴力及其变形、位移的计算公式, 并对工程实例进行验算, 和实测结果进行比较, 结果表明方法较为合理。以前所采用的土锚界面模型几乎都是经验的[4]或是根据土的纯剪切结果而定[5], 孔宪宾通过试验验证了锚杆与土体之间的界面相互影响的机理, 可在给定界面参数的情况下预测锚杆的特性, 可在减少大量锚杆拉拔试验的情况下得到较为可靠的锚杆特性数据, 另外, 其还应用数学—力学方法, 分析了土—锚杆界面间相互作用的机理, 给出了基于锚杆与土体界面的理想弹塑性模型的数学解析解。总体看, 目前关于预应力锚杆作用机理的研究较多, 但是由于支护结构本身的复杂性, 土—锚相互作用还有很多问题, 具体包括: (1) 有限元数值计算中数值模型研究虽然能够模拟基坑支护和边坡加固结构的应力应变状态, 但是其计算结果的正确性却依赖于力学模型的正确性, 而力学模型的正确性又依赖于所选取参数的合理性; (2) 由于基坑和边坡问题的复杂性, 其作用机理非常复杂, 所受影响因素很多, 它不仅和基坑边坡的几何形状有关, 还与锚杆本身的强度、锚固参数以及施工工艺有关, 因此在分析其作用机理时要综合考虑各方面的影响。

锚杆的抗拔承载力是锚杆设计的一个重要参数, 这方面的研究也有不少成果。赵明华等通过对锚杆抗拔承载机理的深入分析, 综合讨论了锚杆抗拔承载力的设计计算方法, 并结合工程实例, 对锚杆抗拔试验及承载力确定方法进行探讨, 提出了基于锚杆抗拔试验资料的Qs-调整曲线预测模型。俞晓等针对土层锚杆的破坏形式, 基于岩土塑性极限平衡理论, 讨论了土层锚杆极限承载力的问题, 并推导了相关计算公式。李玉霞等通过对不同规范提出的土层锚杆试验的四种方法的深入研究, 结合土层锚杆工程检测的实践经验和大量试验数据, 提出了比较合理的土层锚杆抗拔承载力试验方法。

对预应力锚杆进行变形分析是进行支护结构和锚杆协调变形分析的基础, 但是这方面的内容并不是很多。刘俊生[6]从土锚受力方式及其变形特性分析入手, 通过对不同受力类型锚杆的变形计算公式的推导, 导出了适用于不同类型的的土锚刚度计算公式。邹金峰等[7]将锚杆拉拔位移分解成自由段的弹性变形、锚固段的拉伸变形和锚固段与土体之间的相对剪切位移。分析锚杆自由段长度、锚固段长度、锚杆体截面积、浆体强度、锚杆孔径及土层剪切模量与锚杆弹性模量的比值等因素对锚杆位移的影响, 并假定锚固段与其周围土体之间的剪应力与剪切位移呈线性递增关系、锚固段所受的轴力呈抛物线分布, 建立了锚杆荷载与位移之间的关系式。张友葩等[8]通过对锚杆承载机理的分析, 根据预应力锚杆在同一拉拔力作用下锚固段的切向位移越小锚杆的承载性能越好这一特性, 给出了杆体切向位移的计算方法。根据工程实际, 利用预应力锚杆在拉拔过程中所测试到的切向位移, 对杆体的锚固段长度进行了比较系统的分析。预应力锚杆的预应力损失主要包括两部分:一部分是, 锚杆张力张拉锁定前后较短间内, 由于张拉系统的摩阻力和锚杆体系的回弹变形等引起的预应力损失量;另一部分是, 锚杆在长期荷载作用下, 由于灌浆材料的的徐变、锚固段周围土体的蠕变、钢筋应力松弛等因素造成的预应力损失量。对于前者, 工程上一般通过改进张拉锁定系统、超张拉或补偿张拉等弥补;对于后者, 其损失量往往比较大, 如损失后的预应力值小于设计值一定水平, 则将导致锚固功能的失效。就目前而言, 要精确计算具体的预应力损失量还有困难, 因为在长期荷载作用下, 预应力损失还与材料性质、锚固介质的力学特性、施工工艺等诸多因素有关。在现有的设计条件下, 只能通过充分考虑各种影响因素后, 给出预应力损的简单估算值, 然后从工程安全的角度给予考虑。探讨预应力锚杆的变形与锚杆的预应力损失问题对合理确定锚杆的预应力值有重要作用。李厚恩、秦四清[9]等针对基坑侧壁为土质边坡的情况, 通过基坑锚杆预应力损失变化的系统监测和分析, 揭示了锚杆以及锚杆预应力在运行过程中预应力变化的三个阶段, 并分析了相应的影响因素, 提出了用应力损失速根据对锚杆的现场测试, 发现锚杆在张拉及锁定时存在显著的预应力损失问题, 并对此进行了分析, 提出了减少预应力损失的几条办法。王树旺在现场测试与监测数据分析的基础上分析了基坑支护锚杆的受力状态和预应力损失情况, 为深基坑工程的稳定性提供了判据, 并指出应该极为重视土层锚杆张拉后的预应力损失问题, 其在监测实践的基础上, 提出了简单有效的土层锚杆长期监测办法。

吴璋[10]等对黄土地层锚杆的工作原理进行了试验分析, 得出如下结论: (1) 一般情况下, 注浆体的强度都大于土体的强度, 锚索的破坏在黄土层中表现为土层与注浆体之间粘结力达到极限时, 粘结面上出现破裂, 导致锚索的破坏失效, 粘结面破裂时, 呈现沿锚固段深度的递进式发展形式。 (2) 锚索的轴力最大值在拉力较小时出现在锚固段近端, 随拉力的增大逐渐向锚固段远端偏移, 轴力在距锚固段远端三分之一的锚固长度处急剧减小, 而后三分之一长度的锚固段承受的拉力很小。 (3) 在试验锚固段长度L<8米的情况下, 锚固力与锚固段长度近似成正比。 (4) 粘结应力不均匀分布更能真实地反映锚索锚固段锚固力分布实际情况。Phillips公式可以真实的反映粘结应力的分布状况, 而粘结应力均匀分布法在锚固长度较短时也可以较准确的计算锚索的锚固力, 但锚固长度超过最佳锚固长度以后, 计算结果偏大。 (5) 黄土成锚杆对边坡的加固主要表现为改善边坡土体的整体力学性质和结构特征。在坡体表面构筑物的作用下, 主动对边坡土体产生压力, 限制了边坡土体性质的进一步变形恶化。同时, 注浆不仅为锚索提供了锚固里, 而且充填加固了土体中的裂缝, 防止了地下水对坡体的影响, 改善了土体的力学性质。

陈广峰, 米海珍[11]等对失陷性黄土地层中的锚杆性能进行了研究得出以下结论 (1) 湿陷性黄土地层锚杆的选型应优先选用压力型, 施工条件许可的话, 可选其改进型—分散压缩型锚杆;锚杆扩大头及采用压力灌浆能较大提高锚杆抗拔力; (2) 两种型式锚杆都在临近张拉段处出现粘结摩阻力的单峰值, 且随深度按指数规律递减;随着张拉力的增大峰值位置逐渐向深部移动, 从受力端起至前1/3~2/5段杆长 (约为14d) 范围内集中了约80%的剪力, 剪力按杆长的分布符合“黄金分割”原则; (3) 当锚固端剪应力超过土体抗剪强度, 锚杆将发生向深发展的渐进性破坏, 直到最后被拔出; (4) 依靠增加锚固段长度来提高拉拔力的设计思想看来不尽合理, 至少不经济。锚固体全长有时不能被有效利用。对于黄土地层来说最优锚固长度约为35~38倍的杆径; (5) 只在锚杆的最优锚固角附近才能达到最大拉拔力, 最优锚固角的确定用近似公式αopt=60°-φ, 对于黄土地层最优锚固角是至为关键的设计。

2 黄土地区土压力的研究

侧向土压力在深基坑及边坡支护结构设计中是一个十分重要的设计参数。挡墙和板桩墙, 支撑和不支撑的开挖, 隧道墙以及其它地下结构物上的土或岩石压力都需要对构件的侧向压力有定量的估算来做设计或稳定性分析。Coulomb (1773) 和Rankine (1857) 分别在滑楔极限平衡的基础上和从弹性半空间应力状态出发, 在土体极限平衡理论分析的基础上提出了应用最广的经典土压力理论, 至今在许多深基坑和边坡工程土压力计算中仍被采用。Peck[12]和Tschebotarioff[13]也根据实测结果提出了土压力的分布图, 均通过实测来总结支护结构的受力以及基坑周边土体的变化规律, 确定土压力的分布图形, 并用大量曲线图来描述这种分布形式。经过大量的深基坑和边坡工程实践, 工程技术人员越来越清醒地认识到作用于支护结构上的土压力并不是一成不变的, 而是随着基坑和边坡的开挖和支护结构的变形在不断变化。徐力勇等在有限元分析的基础上, 将土体视为非线性弹塑性介质, 采用Drucker-Prager模型, 分析了静止土压力系数的不同取值对基坑支护结构位移及内力的影响, 结果表明随着静止土压力系数的增大, 挡墙的内力也随之增大, 但挡墙位移却相应减小, 其影响范围在20%左右。

朱元鹏[14]等对框架预应力锚杆支护黄土边坡土压力分布做了模型试验, 得出一下结果 (1) 施加锚杆预应力的大小、位置及其顺序影响边坡应力, 通过优化控制这些因素, 可有效改善边坡滑移区土体应力状态。而且通过控制锚杆预应力的大小及其作用位置, 可有效改善边坡内特定区域的应力状态。 (2) 框架预应力锚杆边坡支挡结构主动受力阶段, 其上作用土压力大小与分布主要由预应力锚杆拉力的大小与分布决定, 这是柔性支挡结构区别于传统刚性支挡结构的特点之一;在被动受力状态下, 其上作用土压力受外部荷载的影响较小。建议在实际工程设计中, 区分框架主动受力阶段和被动受力阶段, 分别进行框架设计比较合理。 (4) 由室内模型试验分析结果可知, 利用模型试验方法研究土压力变化规律是可行的, 但由于试验所用土样属于重塑土, 尽管组成一样, 密度和含水率也控制一样, 其力学性质和原状土样也必定有所差别, 在条件允许时, 进行现场试验所得数据更为准确。 (5) 在试验过程中, 有的锚杆出现了失效现象, 这主要是由于拉力型锚杆的锚固体有严重的应力集中现象。这并不意味着锚杆承载力的消失, 但会加速锚杆的腐蚀, 因此, 建议在框架预应力锚杆支护工程中使用压力型锚杆。

3 黄土边坡稳定性分析研究

目前, 工程技术人员主要采用的边坡稳定性分析方法是以条分法为基础的极限平衡法、有限元单元法、基于塑性理论的极限分析方法、可靠度法、人工智能法等安全系数通常有两种定义方法:一种是通过加大外力以达到极限平衡状态, 具有超载系数的性质;另一种是通过降低材料的强度达到极限平衡状态, 具有强度储备系数的性质。目前被广泛使用和讨论的方法有瑞典圆弧法、简化Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spence和Fredlund-Krahn法等。Morgenstem (1992) 认为, 在通用条分法的计算理论方面进行更多的研究工作, 不会对深化这一领域的认识带来实质性的影响。Whitman和Bailey (1967) 认为, 简化Bishop法、简化Janbu法、MorgensternPrice法和Spencer法等方法的计算安全系数相差不大, 而瑞典圆弧法和这些方法相差是比较明显的, 甚至可达60%以上。Janbu[15] (1980) 等从理论的角度分析了各种方法计算的安全系数。Fredlund和Krahn[17,18] (1980, 1981) 分析了力平衡的安全系数及力矩平衡的安全系数的关系, 简洁明了的给出了不同计算方法的安全系数之间的关索。陈祖煌[16] (2003) 通过大量的算例和工程实例讨论了条分法数值计算中存在的问题以及简化方法的精度和局限性。在国内, 邵龙潭 (2001) 等对该类方法进行了研究。有限元强度折减方法是Z1enC1ew1ce于1975年提出的一种边坡稳定分析方法。郑颖人等将强度折减法应用于均质土坡和岩质边坡的稳定分析, 对强度折减法的计算精度和影响因素进行了分析, 得到用摩尔一库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与传统的spence法的误差在5%左右的结论。然而, 由于失稳判据的不确定, 该方法在工程应用上受到限制。

高建勇, 党进谦, 陈艳霞, 吴志刚[19]等对考虑含水量的黄土高边坡稳定性预测模型进行了研究, 在搜集黄土高边坡工程典型实例资料的基础上, 综合考虑影响边坡稳定的因素, 根据边坡的几何、物理、力学参数构建训练样本和测试样本, 基于LM算法的BP神经网络建立了黄土高边坡稳定性预测模型, 拟合出黄土强度参数与含水量的关系式, 由此提出了利用观测含水量预测关中地区高边坡稳定性的系统模型。高建勇, 陈艳霞, 党进谦[20]利用基于范数灰关联的方法对黄土边坡稳定性进行了分析, 利用收集到的数据进行定量分析了影响黄土边坡稳定性的因子, 并获取各影响因子的权重系数。结果表明:黄土边坡的重度、粘聚力、内摩擦角是黄土边坡稳定性影响因子中最主要的因子, 其次为坡比、坡高, 孔隙压力比和地震烈度也对黄土边坡的稳定性有一定的影响。权重系数的排序为边坡的治理和监测提供了重要依据, 只要合理地估算黄土边坡的重度、粘聚力、内摩擦角的值, 就可以比较快速、准确地确定边坡的稳定状态。周欣华, 党进谦, 李靖[21]等将图解法应用到黄土边坡的稳定性分析中, 制成了黄土边坡稳定性分析图。郑良飞、折学森等提出了一种新的黄土边坡稳定性分析方法—特殊滑裂面快速搜索法, 综合考察大量失稳黄土高边坡实例, 发现其滑裂面剖面形态多呈上陡下缓的“L”形。利用传统稳定系数的概念进行分析, 与实际情况出入较大。利用数学方法, 将黄土路堑高边坡的滑裂面概化为"抛物线"形, 推导出其稳定性分析表达式, 建立特殊滑裂面快速搜索的方法。这种方法弥补了其他分析方法的不足, 更符合黄土边坡的实际受力情况。王燕红[22]等将多级模糊识别模型首次应用于黄土边坡的稳定性分析中, 充分地考虑了影响黄土边坡稳定性的多种影响因素, 并且考虑了黄土边坡稳定性的不确定性。是一种较为实用的方法。

4 结语

从文中可以看出尽管很多学者对框架预应力锚杆支护结构的设计计算做了不懈的研究, 也已经获得了大量的研究成果, 但还是有很多问题亟待解决, 比如框架预应力锚杆柔性支护结构的稳定性, 研究框架预应力锚杆柔性支护结构的永久性设计问题, 开展现场试验研究, 框架预应力锚杆柔性支护结构中群锚效应的设计理论研究, 框架预应力锚杆柔性支护结构的安全性评价等。

摘要：黄土边坡支挡结构的分析与设计是工程设计的一大难题。做为一种新型支挡结构, 框架预应力锚杆柔性支护结构能够充分调节和改善土体的自身强度和自稳能力, 因此其在黄土地区深基坑开挖支护和边坡加固工程中得到了广泛应用。本文介绍了这种新型的支挡结构的研究现状。

预应力混凝土框架 篇7

在框架预应力锚杆柔性支护结构中,由于锚杆预应力的存在,锚杆在一定的锚固区域内形成压应力带,通过框架及挡土板形成压应力面,从根本上改善土体的力学性能,变传统刚性支挡结构的被动挡护为充分利用土体本身自稳能力的主动挡护,有效地控制了土体位移。另外,这种支护结构立面美观,锚杆与框架的空间协同工作性能较好,因此其在边坡加固和基坑开挖工程中得到了广泛应用[1~5]。

由于框架预应力锚杆支护结构是利用土体自身的阻抗去制约另一部分土体的变形和结构破坏,因而在使用中一般要对锚杆施加一定的预应力,以更好地发挥锚杆的自我约束系统。实践证明,锚杆的初始预应力总是变化的,这种变化通常表现为预应力损失。对基坑等临时性工程而言,预应力的损失可能不是很危险;但是对于边坡这种永久性加固结构,预应力的损失对锚固工程的稳定性是极为不利的。因为潜在破坏的土体通过锚杆的拉力作用,使其稳固地依附在稳定地层上,锚杆的拉力作用增加了潜在滑动面上的法向应力,从而提高了抗剪强度,使地层得到加固。一旦锚杆预应力损失达到一定值,致使地层抗剪强度下降到稳定值以下,锚杆有可能随锚固体被拔出,将导致锚固失效,即被加固地层失稳,给工程带来极大危害,甚至威胁人民生命财产的安全[6]。因此,锚杆预应力的变化直接影响到锚固工程的安全,有必要对其进行长期观测。本文分析了影响锚杆预应力损失的各项因素,给出了预应力损失大小的简单定量估算方法;另外,对框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失问题进行了试验研究,研究结果表明本文给出的简单定量估算方法是可行的。

1 锚杆预应力损失变化规律及过程

文献[7]在根据对某基坑锚杆预应力监测的基础上给出了锚杆预应力变化的三个阶段,如图1所示。已知基坑开挖深度范围内地层主要为粉土和粉质细砂,渗透性一般。图1中(1)表示自张拉初期开始,预应力快速下降阶段;(2)表示预应力上升阶段;(3)表示预应力稳定变化阶段。实际上,图1显示的结果和规律对于上述土质条件或近似土质条件下的基坑工程预应力锚杆具有一般性,由于基坑工程属于临时性工程,而边坡加固工程属于永久性工程,两者在预应力锚杆的施工工艺和构造措施处理上都有差异,所以图1对于边坡工程预应力锚杆的预应力损失的结果和规律而言还不具有代表性。

1.1 预应力快速下降阶段

此阶段发生在张拉锁定前后,历时较短,主要受锚具、土体压密、孔道摩阻、施加预应力大小等因素的影响。虽然该阶段历时较短,但是所引起的预应力损失相对较大,占总损失量的损失百分比大约在45%左右。

1.2 预应力上升阶段

从图1可以看出,这个过程主要表现为预应力值的增加。这是由于土体变形引起的预应力增加量大于松弛效应引起的预应力损失,预应力荷载呈现增加的趋势,增加的幅度取决于土体变形量的大小。

1.3 预应力稳定变化阶段

在经历前两阶段后,锚杆预应力值趋于稳定变化。此阶段由于土体变形模量发生较小规模的变化,使得预应力值略有增加,当土体变形趋于稳定时,预应力值也趋于稳定。

2 锚杆预应力损失影响因素分析

2.1 锚杆张拉锁定时引起的预应力损失

(1)张拉系统摩阻引起的预应力损失σl1

锚杆张拉时引起的预应力损失,表现为锚杆测力计输出值小于油压千斤顶显示的压力。张拉过程的预应力损失主要由预应力锚杆同孔壁的摩擦和张拉千斤顶的摩阻力大小决定。如果钻孔平直,锚杆安置后不与孔壁接触,则锚杆预应力损失很小甚至不产生预应力损失。文献[8]指出张拉千斤顶的摩擦损失一般只有1%左右,因此可以通过超张拉来补偿。但根据有关文献及测试[9],张拉系统的摩阻损失一般为2%~4%,也即油压千斤顶显示的压力要比锚杆测力计输出值大2%~4%。笔者曾在施工现场询问锚杆张拉人员,发现他们对锚杆预应力损失没有引起重视,所以一般张拉都是以油表上所显示的压力作为最终施加的预应力值,因此,应该考虑张拉系统引起的预应力损失量。

(2)锁定后锚具回缩引起的预应力损失σl2

锚杆张拉程序完成后,卸荷时是靠夹片与锚垫板间的相互作用来锁定预应力,在锁定时,锚杆自由段难免会产生一定量的弹性变形,钢筋的回缩量大小决定了锚杆预应力损失量的大小。锚杆锁定后回缩量大小与锚夹具及其制造工艺有关。除此之外,组成外锚头的其它构件,如混凝土垫墩、垫板及外锚头的强度及加工、安装的质量也会影响锚杆预应力损失。

2.2 钢材应力松弛引起的预应力损失σl3

钢材在长期应力作用下会发生应力松弛现象,应力松弛量通常和锚杆张拉后的预应力初始值和受荷时间有直接的关系。钢材的应力松弛实验表明:长期受荷的钢材预应力松弛损失量大约为5%~10%,在相同的应力作用下,受荷100h的松弛损失约为1h所造成的松弛损失量的2倍;受荷1000h的松弛损失约为1h所造成的松弛损失量的2.5倍[7]。当施加的应力大于钢材强度的50%时,应力松弛会显著增加,而且荷载越大松弛量也就越大[10]。

2.3 土体蠕变引起的预应力损失σl4

土体是一流变体,具有明显的流变特征,在外荷载作用下,土体发生流变现象,从而引起锚杆预应力的降低。在施工期间,土体开挖卸载,使土体内部应力得到释放,土体向边坡临空面方向发生变形,从而增加预应力值,这种增加预应力值的效果具有明显的时间效应,随着施工期的结束,锚杆预应力的变化趋于平缓。另外,由于锚杆预应力的作用使得土体物理力学性质发生改变,土体产生压缩变形,在施加预应力初期,土体的压缩变形比较显著,预应力降低明显。

工程实践表明坚硬完整岩体在长期剪力作用下发生蠕变的量很小,对锚杆预应力的影响不大[10]。但是设置在土层中的锚杆一般都在固定5d内呈现出预应力值明显降低,在今后几年甚至几十年都会有持续降低的现象。这一规律与土体蠕变的趋势相一致,进一步说明土体蠕变是引起锚杆预应力损失的主要因素之一,这个损失量一般都在15%以内[6]。

2.4 群锚效应和张拉顺序引起的预应力损失σl5

在群锚张拉过程中,锚杆施工对已安装的锚杆的锚固力有一定的影响,这种影响多表现为预应力损失。究其原因可以理解为锚杆张拉引起框架和土体的变形,从而使锚杆影响半径范围内已安装的锚杆的预应力降低[11]。

一般来讲,支护结构上都存在多孔锚杆,所以理论上最合理的张拉顺序是同时同步张拉,但往往受张拉设备和施工工艺的限制,因此有必要选择合理的张拉工艺。最合理的张拉工艺应该是有利于土体均匀压缩,这样对坡体稳定有利。但是框架预应力锚杆柔性支护结构采用的施工工艺是逆作法,如果一次性将上部锚杆张拉到设计预应力值,当施工下部锚杆时必然引起上部锚杆较大的预应力损失,所以较好的办法是采用分级张拉,先将上部锚杆张拉到设计预应力值的一定比例,待施工完毕后再继续张拉到设计预应力值。

2.5 降雨入渗引起的预应力损失σl6

降雨量及降雨历时对锚杆锚固力有较大的影响,这种影响集中反映在强度较低、渗透系数较大的部位,而且具有时间滞后效应。由于滑面上遇水后土体的c、φ值降低,滑面上抗剪能力减弱导致锚固力的损失。但是随着裂隙水的不断渗入,土体抗剪能力降低,抵抗下滑的能力也随之降低,锚固力有所增加。随着土体内部水压的波动变化,锚固力也呈现波动变化。随着裂隙水的逐渐消散,由于土体的压缩变形和锚杆应力松弛,锚固力又会回到降雨前的水平。由此可知,在降雨前后,锚杆会受到较大的循环荷载作用,这对基坑和边坡的稳定是极为不利的[12]。因此,做好边坡的排水与防渗,有利于锚固荷载的长期稳定。

3 锚杆预应力损失的简单定量估算

锚杆预应力损失的大小,将直接影响边坡整治工程中设计张拉力、超张拉幅度的选定。对锚杆的工作状态,过高或过低估计预应力损失都是不利的,因此对预应力损失进行简单定量估算是必要的。根据前述对锚杆预应力损失影响因素的分析,锚杆的预应力损失量σl可由下式表示:

考虑到影响预应力损失的因素十分复杂,式(1)中前四项为主要影响因素。根据前述分析,对前面四种预应力损失简单估算为:张拉系统摩阻引起的预应力损失σl1为2%~4%;锚头夹具回缩引起的预应力损失σl2为3%~6%;钢材应力松弛引起的预应力损失σl3为5%~10%;土体蠕变引起的预应力损失σl4为10%~15%。综合考虑其它各种因素的影响,可粗略估算一般锚杆预应力损失大约在25%~40%之间。如果地层性质较差,比如基坑或边坡的上覆土层在较深范围内为杂填土、或土层的含水量较大、或锚杆穿越的土层较多而每种土层的性质相差较大等情况,由于土层与锚杆的锚固体之间的摩阻力有限,在锚杆的预应力施加到一定数值时就会出现锚杆被拔出的现象,此时锚杆的预应力损失可能更大。

4 锚杆预应力损失的试验研究

边坡加固下的锚杆预应力损失研究是笔者进行框架预应力锚杆柔性边坡支护结构模型试验的内容之一[13]。试验模型依据几何相似原理建立,为了增加模型试验的可靠性,采用大比例室内模型试验,取几何相似比为1∶3。

4.1 试验材料

试验材料与实际工程相同,本次试验所用主要材料为:土、混凝土、钢筋、水泥和砂子。

(1)试验用土体取自某自然边坡,为黄土状粉土,浅黄色,场地内连续分布,土质均匀,在进行原状土含水量、密实度测量后,通过控制填土密实度,分层向模型箱填土形成土坡;

(2)混凝土强度等级采用C20,按标准试验条件制作构件;试验用钢筋为普通钢筋,框架梁柱、面板配筋以及锚杆用钢筋均采用HPB235级;

(3)锚杆锚固段采用水泥浆高压二次注浆,水泥浆根据规定配合比并结合施工经验现场配制,试验测试时,水泥浆完全凝固,达到设计强度M30。

4.2 试验模型设计

试验模型箱采用钢木组合结构型式,箱体骨架采用槽钢,箱体内壁采用18mm厚木工板,各构件之间采用焊接与螺栓连接,试验模型箱长×宽×高净尺寸为3.6m×2.4m×3.6m。为减小模型试验的边界效应,在箱体内侧张贴一层0.3mm厚的塑料膜,经过处理后,侧壁和土体之间的摩擦力的影响将得到有效控制,可认为对试验基本无影响。试验模型箱的制作和试验土坡的具体形成过程详见周勇[13]的研究结果,加工制作完成后的试验箱如图2所示。

4.3 试验锚杆设计及钢筋计布置

锚杆拉力根据几何相似条件及文献[13]提出的计算方法确定。模型中锚杆材料采用HPB235级钢筋,锚固体直径取与实际工程中相同的孔径150mm,上面三排锚杆的水平倾角取10°,最下面一排为防止锚杆倾角过大接触地面而影响锚固效果,其水平倾角仅取5°。锚杆自由段长度和锚固段长度由计算确定,锚杆与框架的连接采用钢垫板与高强螺栓,最终锚杆设计剖面如图3所示。

试验模型中共设计了12根锚杆,根据试验设备的数量和支护结构的对称性,仅在边柱1和中柱位置上的八根锚杆钢筋上设计了钢筋计,测点布置编号如图4。

4.4 试验结果分析

图5为对各排锚杆施加预应力时其相应的预应力变化曲线,由于未考虑边坡的极限破坏状态,因此预应力均未达到各锚杆的极限抗拔力。图6为对应于锚杆施加预应力时其相应实测拉力的变化情况。前者由预应力拉拔仪读出,后者由钢筋计和SS-III型台式数字钢弦频率接收仪共同得出。图7给出了锚杆预应力损失变化曲线,图8给出了加载后并停止施加预应力时最终各锚杆的预应力损失变化曲线,经分析可得如下结论:

(1)理论上讲,如果锚杆不存在预应力损失,则锚杆施加的预应力读数和锚杆拉力实测值应该是相同的。对比图5、图6,两者纵坐标相同,明显可以看出图6中的曲线较图5中的曲线平缓,即锚杆上施加的预应力增长速度较各锚杆拉力增长要快,这说明锚杆均产生了不同程度的预应力损失。而且在预应力的施加初期,预应力损失非常明显,分析原因可以认为,锚杆刚开始施加预应力时,会使锚具大量回缩、框架和挡土板后的土体会产生较大的压缩变形从而引起锚杆较大的预应力损失。

(2)从图7所显示的各锚杆的具体预应力损失数值的变化过程来看,各锚杆的预应力损失没有严格可循的变化规律,这主要是由于影响锚杆预应力损失的因素很多,比如锚杆锚固段的钻孔直径有差异,灌浆的效果就不一样。本次试验中最主要的问题是加载设备数量有限,因此采用逐个锚孔分级循环加载,加载完成后立即锁定该级荷载,即锚杆的预应力施加不是在同一个时间进行,同时锚杆的张拉顺序对锚杆的预应力损失影响明显。但是框架预应力锚杆柔性支护结构最大的特点就在于框架与锚杆通过锚杆预应力的作用能够实现主动协同工作,如果锚杆的预应力不能在同一时间实现同步张拉,则由于框架与锚杆的协调变形会导致锚杆的预应力损失没有特定的规律而出现了随机性,对工程实践失去了指导意义。因此,在边坡加固工程中,为了减少预应力损失,应尽量实现同步张拉,且根据实际情况对于局部锚杆采取预应力补偿张拉的措施。

(3)本文前面在详细分析总结影响框架预应力锚杆柔性支护结构锚杆预应力损失因素的基础上,根据各影响因素的特性规律给出了锚杆预应力损失的简单定量估算,具体估算值为25%~40%。从图8可以看出,各锚杆的预应力损失量不一样,最小损失百分比为锚杆A4的23.65%,最大损失百分比为锚杆A6的44.04%,八根锚杆的预应力损失百分比平均值为32.41%,显然大部分锚杆的预应力损失百分比和所有锚杆的预应力损失的平均值都验证了这个估算范围,但是锚杆A4和A6出现了异常,这一点可以从图4中锚杆A4和A6的位置进行分析。文献[13]指出在框架预应力锚杆柔性支护结构中,中下部锚杆受力较大,上部锚杆受力较小。从图5、图6可以看出,锚杆A4无论是预应力的施加还是锚杆拉力实测值都较小,所以总体上预应力损失偏小;而锚杆A6由于位置靠下,上覆土压力较大,对其施加的预应力数值较大,但是由于对其施加预应力的时间较早,考虑钢筋的应力松弛和土体蠕变影响较大,最终导致其预应力损失较大。

5 结论

(1)分析总结了影响框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失的主要因素,具体包括张拉系统摩阻、锁定后锚具回缩、钢材应力松弛、土体蠕变、群锚效应和张拉顺序、降雨入渗,综合考虑其它各种因素的影响,可粗略估算锚杆预应力损失范围大约在25%~40%之间。

(2)对框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失进行了试验研究,结果表明本文给出的简单定量估算是可行的。但是由于文中建议的式(1)中,各项值均为一范围值,各项值如何根据具体情况确定无法明确,因此式(1)的预应力损失估算方法,只能做一总量估算,要明确各项数值还需进一研究确定。

(3)本文的研究是基于压实人工填土,并非原位土体,这对试验结果会有很大的影响。并且文中仅是利用一种土的试验结果,作为用于复杂地质条件下的基坑或边坡锚杆预应力损失量值的估算,依据还不是很充分。另外,影响框架预应力锚杆柔性支护结构的锚杆预应力损失的因素很多,有些因素可以人为控制,有些因素只能尽量避免,在施工过程中应该尽量减少锚杆的预应力损失,以使锚杆能够有效地发挥作用,取得良好的加固效果。

摘要：框架预应力锚杆柔性支护结构是用于提高边坡稳定性的一种新技术,锚杆作为其中的核心受力构件,其预应力值的大小是有效限制边坡位移的关键,但在实际工程中锚杆产生预应力损失是必然的。为深入了解锚杆的工作性能和作用机理,对其预应力损失进行研究,分析总结了影响锚杆预应力损失的主要因素,包括张拉系统的摩阻、锁定后的锚具回缩、钢材的应力松弛、土体蠕变、群锚效应和张拉顺序、降雨入渗等。综合考虑其它各种因素的影响,可粗略估算一般锚杆预应力损失范围大约在25%～40%之间。另外,为进一步验证锚杆预应力的损失大小,对框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失问题进行了试验研究,结果表明本文给出的简单定量估算是可行的。

预应力混凝土框架 篇8

某机关单位综合办公楼工程, 共四层, 为会议和办公设施, 总建筑面积为13000m2, 其中会议室兼作小礼堂用, 位于大楼四层左侧;建筑面积475m2, 平面长25m, 宽19m, 能容纳250～300余人;综合楼与相邻建筑单体之间设置伸缩缝, 采用大跨度混凝土框架结构;其它跨度为19m, 沿会议室方向与柱网正交。

2 建筑结构方案的选择

上述尺度的天面楼盖结构, 可以采用多种楼盖结构方案, 如型钢混凝土组合结构、钢筋混凝土桁架结构、预应力钢筋混凝土结构、排架结构 (采用钢筋混凝土柱和钢屋架) , 普通钢筋混凝土密肋梁板结构等等。

在进行天面楼盖结构方案比选时, 首先考虑的是要满足业主对使用功能的要求。该综合楼与周边办公楼单体用伸缩缝分开, 天面与周边楼层的走廊相连, 业主要求综合楼的天面可作为职工休息时间的活动场所。因此, 不能采用较大的坡度的屋面形式, 而且对受力主梁的挠度变形要求比较高。在这种情况下, 就不能选用钢筋混凝土桁架结构。

若采用普通钢筋混凝土密肋梁板结构, 密肋次梁要沿会议室的方向密布, 跨度为19m, 为满足挠度及裂缝宽度限值的要求, 估算梁截面的高度达到1300mm, 截面这么大的梁如此密布, 不能满足会议室内部上空的美观要求。同时, 密肋次梁支承在两端框架边梁上, 产生较大的扭矩和剪力, 框架边梁的抗剪扭能力很难满足规范的要求。

如果采用型钢混凝土组合结构, 屋面楼盖采用压型钢板混凝土组合楼板, 那么在结构原理上, 是比较合理的。但与采用预应力钢筋混凝土结构相比, 钢材的使用量比较大, 建筑成本较高。

综合以上的分析, 框架主梁采用后张法有粘结预应力结构, 框架主梁的截面为400mm×1200mm, 采用钢筋混凝土肋形梁板结构, 楼板厚度为100mm, 梁、板的混凝土强度等级采用C40, 柱子采用普通钢筋混凝土结构, 截面650mm×700mm, 柱的混凝土强度等级采用C30, 在梁、柱节点处, 混凝土强度等级按框架主梁采用C40。

3 有粘结预应力框架主梁的设计

3.1 荷载

作用于梁上的恒荷载包括梁板自重、面层及吊顶自重, 活荷载按人群有可能密集的情况采用3.5kN/m2。梁上线荷载标准值共计69.4 kN/m线荷载设计值共计94.8 kN/m。由于该会议室周边的均布置多层的办公楼, 对风起了遮挡的作用, 在结构计算中可不考虑风荷载。

3.2 设计基本参数

本建筑的设计使用年限为50年, 建筑结构的安全等级为二级, 抗震设防烈度为Ⅶ度, 设计地震分组为第一组, 抗震等级为三级, 设计基本地震加速度为0.10g, 场地类别为Ⅲ类。

3.3 结构受力计算

取一榀钢架作为计算单元。在柱边支座处, 梁截面按矩形考虑, ;在跨中, 考虑楼板作为翼缘参与受力, 梁截面按T形考虑。

3.4 材料的选用

框架主梁预应力筋按双束设置, 按照抛物线线型设置, 分为三段, 反弯点设在离支座0.16Lo (Lo为梁计算跨度) 处。预应力筋采用低松弛高强度钢绞线, 每束采用6φj15.24, 强度标准值fptk=1860N/mm2, 设计值fpy=1320N/mm2, 张拉控制应力为0.75, fptk=1395N/mm2。每束预应力筋的张拉力P=6×139×1395=1163kN。锚具采用OVM锚具系列, 一端张拉, 张拉端分别设在梁的两端。支座及跨中非预应力筋均采HRB335级, 直径为25mm, 通长设置。

3.5 预应力梁的验算

按照上述的配置进行验算, 得梁端的配筋强度比λ=0.681, 小于规范要求的0.75;考虑受压钢筋的梁端相对受压区高度为0.26, 满足规范不大于0.35的要求;底面和顶面纵向非预应力钢筋截面面积的比值为1.0, 纵向受压非预应力钢筋的配筋率为0.72%>0.2%, 纵向受拉钢筋按非预应力钢筋抗拉强度设计值折算的配筋率为2.4%<2.5%, 以上几项均满足规范的要求。

3.6 预应力损失的计算

张拉端锚具变形和锚具内缩引起的预应力损失σ11=254.5N/mm2, 预应力钢筋磨擦引起的预应力损失σ12=382.1N/mm2, 预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失σ14=48.8N/mm2, 混凝土的收缩和徐变引起支座的预应力损失σ15 (支) =104.6N/mm2、跨在的预应力损失σ15 (中) =89.5N/mm2, 两束预应力钢筋采用一端张拉, 并在两端同时张拉, 得:

支座第一批预应力损失:σLI (支) =1/2 (σ11+σ12) =318.3N/mm2;

跨中第一批预应力损失:σLI (中) =1/2σLI (支) =191.1N/mm2;

支座第二批预应力损失:σLII (支) =σ14+σ15 (支) =153.4N/mm2;

跨中第二批预应力损失:σLII (中) =σ14+σ15 (中) =138.4N/mm2;

支座总预应力损失:σL (支) =σLI (支) +σLII (支) =471.7N/mm2;

跨中总预应力损失:σL (中) =σLI (中) +σLII (中) =329.4N/mm2;

支座有效预应力:Pe (支) =6×139× (1395-471.7) =779kN。

3.7 内力组合

后张法预应力混凝土超静定结构, 在进行正截面受弯承载力计算及抗裂验算时, 在弯矩设计值中次弯矩应参与组合;在进行斜截面受剪承载力计算及抗裂验算时, 在剪力设计值中次剪力应参与组合。在对截面进行受弯及受剪的抗裂验算时, 当参与组合的次弯矩、次剪力对结构不利时, 预应力分项系数取1.2, 有利时取1.0。次弯矩按下列公式计算:

3.8 预应力框架主梁极限强度验算

跨中截面抗弯承载力设计值除以承载力抗震。调整系数后为4617.7kN/m, 大于跨中截面弯矩设计值2757.8kN/m;支座截面抗弯承载力设计值除以承载力抗震调整系数后为4321.2kN/m, 大于支座截面弯矩设计值1419.4kN/m;支座截面抗剪承载力设计值除以承载力抗震调整系数后为1798.2kN, 大于支座截面剪力设计值836kN。

3.9 预应力框架主梁在使用阶段的抗裂验算及挠度控制

当进行正截面抗裂验算时, 支座截面的裂缝控制等级按二级 (即一般要求不出现裂缝的构件) 考虑。在荷载效应的标准组合下满足:σck-σpc=2.1N/mm2对中跨中截面, 取楼板与腹板相交进行验算, 计算公式相同, 得:

在荷载效应的标准组合下, 框架主梁的短期刚度βs=9.721×1014N/mm2, 刚度β=Mk (中) βs/[Mq (中) (θ-1) +Mk (中) ]=5.22×1014 N/mm2, 采用结构力学的方法计算跨中的挠度f=42mm, f/LO=1/445, 满足要求。

3.1 0 施工阶段的验算

在施工阶段, 框架主梁除承受结构自身重量以外, 还承受施工活荷载, 施工活荷载按2.0Kn/m2考虑, 在结构计算中, 仅考虑第一批预应力损失。经验算, 满足规范对施工阶段不允许出现裂缝的预应力构件的应力控制要求。在对张拉端进行局部受压承载力的验算中, 端部承压垫板厚度为20mm, 采用200mm×200mm的正方形, 并设置φ10的螺旋筋, 内径180mm, 以验算, 局部受压满足要求。

4 张拉端节点构造处理

预应力筋的孔道采用预埋φ70波纹管实现, 预应力筋在梁内按束布置, 张拉端采用OVM型夹片锚具系列, 非张拉埋入端采用挤压锚具。张拉并灌浆完毕后, 用C30混凝土进行封闭保护, 为避免对原结构造成影响, 采用外露式柱墩, 混凝土接口应清理干净, 并冲水润湿。为保证预应力筋的孔道可以顺利通过梁柱节点并准确定位, 柱纵筋布置成双排, 在满足规范要求的前提下, 增大纵筋的间距。

5 结语

综上所述, 该综合楼通过以上多种结构的比较、分析与验算, 最终采用大跨度后张法无粘结预应力框架主梁结构, 既满足了业主的要求, 为会议室兼小礼堂提供了无梁大空间, 同时又符合结构设计经济实用的原则, 因此其结构设计是科学和合理的。

摘要：本文结合工程实例和笔者多年设计实践工作经验, 详细探讨了大跨度后张法有粘结预应力楼盖框架梁结构设计过程中的主要设计参数计算和强度验算, 对张拉施工时预应力的损失进行了科学计算, 确保了工程结构设计的经济性和合理性, 并对张拉端节点处理措施进行了论述。

关键词：结构方案,框架主梁,有粘结预应力,节点构造

参考文献

[1]陶学康.后张预应力混凝土设计手册.北京:中国建筑工业出版社.

[2]徐焱, 苏文元.超长结构中预应力的应用.新世纪预应力技术创新学术交流会论文集.