高层建筑地下室有粘结预应力顶板设计与施工技术探讨
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摘要:本文结合工程实例,详细阐述了地下室顶板有粘结预应力技术的设计与施工要点,并在与一般钢筋混凝土楼板比较分析的基础上,对其的使用性能及良好的经济性进行了深入探讨和总结。
关键词:有粘结预应力;地下室顶板;钢筋混凝土楼板;配筋;经济性1工程概述
湖南某住宅小区由多栋10～13层小高层和多层住宅组成,总建筑面积达10万m2。其中室外地下室顶板采用预应力技术,以充分利用顶板带来的空间,平时顶板下为室内停车场,战时则为6级物质库,并顶板上种植绿草、修造花园等公共设施,以营造舒适、生活休闲功能齐全的高尚社区。本工程柱网尺寸主要为8.0m×8.0m,地下室顶板上覆土1000mm,并且有人防要求。由于荷载大(覆土荷载、消防车荷载和人防荷载)、抗裂要求高,故该工程的地下室顶板采用有粘结预应力无梁楼盖技术,其平面布置见图1。
2有粘结预应力预应力地下室顶板的设计验算
2.1计算模型和设计参数
本工程地下室顶板室外覆土1000mm,混凝土强度等级为C35,fc=16.7N/mm2,非预应力筋为级钢,fy=300N/mm2,预应力筋采用直径为Φs15.2,fptk=1860N/mm2级低松驰钢绞线,张拉控制应力取0.7fptk=1302MPa。设计荷载为:板厚300mm自重:7.5kN/m2,其它恒载:20.0kN/m2,正常使用活载:3.5kN/m2,消防车荷载:20kN/m2,人防等效荷载:65kN/m2。
由于地下室顶板荷载大并且分布不同,边界条件复杂,同时还要考虑温度应力(本工程考虑25温差)的影响,而计算模式不同,不同位置的应力值将相差较大,所以采用了能有效地反映板的支承条件的板、梁、柱共同作用的空间结构模式来计算板在各种荷载工况下的应力即采用空间有限元程序SAP来进行计算分析,在各种荷载工况下应力结果见表1。
2.2顶板的抗冲切验算
在进行顶板设计时,在柱子位置可适当增加柱帽(本工程为大小为3000mm×3000mm,根部加高500mm的柱帽),易计算楼板在各种工况下的抗冲切验算完全能满足要求。
2.3正常使用条件下顶板的抗裂控制条件
对于抗裂控制条件,混凝土结构设计规范(GB50010-2002)比无粘结预应力混凝土结构技术规程(JGJ/T92-2004)抗裂度要求略高,而且没有后者具体,因此对于板结构,我们认为,无论有粘结筋还是无粘结筋,抗裂度统一可以按(JGJ/T92-2004)取值。
因此在正常使用条件下的,抗裂验算可采用如下公式:
(1)在荷载效应的标准组合下:
σck-σpc1.0ftk(1)
式中:σck荷载效应的标准组合产生的应力;
σpc预应力等效荷载产生的应力;
(2)在荷载效应准永久组合产生的应力
σcq-σpc0.4ftk(2)
式中:σcq荷载效应准永久组合产生的应力
对于在消防车荷载及人防荷载条件下,可不用按上述条件要求计算,只需在强度条件满足的前提下,另外复算消防车荷载下的裂缝宽度为0.2mm以内即可。
2.4设计结果
通过有限元程序计算外荷载作用下的应力,依据顶板的抗裂控制条件,确定预应力等效荷载,进一步得出每跨预应力筋束数。本工程双向均匀布置,每跨8.0m配预应力筋30束(预应力筋平面布置图2)。
2.5楼板的极限承载力
对于预应力楼板,裂缝控制条件往往是比较严格的,因此在抗裂控制条件满足的前提下,可以按规范的最小配筋率要求(人防要求0.3%)构造配置普通钢筋,这样验算板的正常使用及人防条件下的极限承载力通常都大于设计承载力。
3有粘结预应力地下室顶板施工技术要点
3.1预应力筋布置
预应力筋布置应严格按图施工,钢筋数量及种类必须符合图纸要求,严格按设计要求曲线布筋,保证在垂直方向上各控制点的高度达到设计要求,曲线要平滑,反弯点位置按图施工,梁内预应力筋保护层最小厚度50mm。张拉端与固定端采用夹片类7孔锚具,喇叭管和螺旋筋与其配套。孔道采用金属波纹管留孔,管径为70。接管采用大一号的波纹管,采用一端张拉。
3.2波纹管埋设及预应力筋穿束
支模板过程中,梁的侧模板先不封,以便于金属波纹管和预应力筋的埋设。在非预应力钢筋绑扎好后,根据设计的预应力筋曲线坐标,将波纹管固定支架焊接在大梁相应位置和标高处的箍筋上。支架采用Φ10钢筋,间距为800mm。定位钢筋固定好后,即可安装金属波纹管,波纹管逐根穿入,与定位支架用20号铁丝十字交叉绑扎牢固,要特别注意点、反弯点和梁跨中处的位置准确。由于波纹管由两段或多段组成,两段管之间接头用大一号波纹管(L=300rnm)套接,张拉端头扩大孔采用Φ85的波纹管。波纹管所有连接处用防水胶带缠裹严实防止漏浆。安装好波纹管后,即可进行钢绞线穿束。
3.3模板及脚手架工程
要求梁模板的支架必须满足承受结构的自重和可能出现的施工荷载的要求,并有足够的承载能力、刚度和稳定性。预应力梁两侧模板必须在波纹管固定好并验收合格后方可进行封模安装,在模板打对拉螺栓孔时必须注意预先定出位置,防止打穿波纹管。
3.4混凝土浇筑和养护
混凝土浇筑时严禁踩压波纹管、预应力筋、定位钢筋、排气管(兼泌水管)及端部顶埋件。混凝土浇筑过程中,要在波纹管的两侧对称下料,振捣时,振动棒不得碰到波纹管、锚具等,以免损坏波纹管而引起漏浆堵塞孔道和保证顶应力筋的束形和锚具的位置准确。并注意控制波纹管的上浮现象发生,浇筑好后要注意养护,以确保混凝土有足够的承压力,以免张拉时发生事故。
3.5张拉控制
张拉过程实行双控管理,即以应力控制为主,并同时实施伸长值测量控制。在正式张拉前进行试张拉,实测摩擦损失系数,再根据实测结果填写张拉要点(包括张拉力及计算伸长值)。张拉的实际伸长值不应大于计算伸长值的+6%或小于-6%,若发现实际伸长值超出此范围,应停止张拉,查明原因可继续张拉。
3.6孔道灌浆和封锚
灌浆水泥采用普通硅酸盐水泥,水灰比为0.4,掺高效减水和带微膨胀的外加剂,塌落度为16cm。从设置在曲线孔道点的灌浆孔中均匀地一次灌满孔道,待两端出气处冒出浓浆后方可封闭泌水孔(出气孔)并继续加压到0.6MPa,持荷2min后封闭灌浆孔。张拉灌浆完成后紧接着进行封锚。封锚前必须将锚具、锚孔清理干净,按设计要求进行封锚,凸出的锚头按照设计的大样图由总包方配置附加钢筋,对锚具进行封闭保护。封锚材料必须将锚具、预应力钢丝头全部封锚堵密实,不得留有空隙,筋头、锚具不得外露。
4地下室预应力顶板设计与施工时应注意的问题
1)地下室顶板采用预应力技术时,解决了超长结构楼板收缩开裂问题,通常在板中我们施加1.5～2.3MPa左右的收缩预压应力来抵抗混凝土的收缩和温度应力。但是楼板的伸缩对柱子的影响不容忽视,特别是靠近端部的柱子,变形大,附加弯矩大,在计算柱子的承载力的时候,应充分考虑施加预应力,温度应力和混凝土收缩等的影响。2)对于一些承受特殊荷载的板系,抗裂度可以适当降低,可以考虑加强耐久性的措施。如行驶消防车的地下室顶板,因为消防车是临时荷载,也许结构的整个生命周期内,消防车都不会出现,因此把消防车荷载来计算结构的抗裂度是不妥当的。所以在计算配筋时,如考虑全部车辆荷载的时候,可控制裂缝宽度不大于0.2mm即可。
3)注意协调正常使用阶段、正常使用承载力极限状态和消防车荷载、人防荷载作用后四种不同受力状态的配筋,使最后配筋不仅能同时满足,而且又最经济。
4)地下室顶板通常会开设透气窗、采光井、水管井等,而且板上开洞大小不一。对于大于1m的洞的周边均易出现明显的应力集中现象,这时预应力束和普通钢筋根据开洞石板的应力结果进行配置,洞周边应设置暗梁或反梁。这时的预应力筋离洞边应有一定距离,并应以足够大的曲率平缓绕过板中的洞口。
5)施工时,张拉端、固定端支锚具须有可靠固定,并保持张拉作用线与承压板面垂直。预应力混凝土要连续浇注完毕,不留施工缝,并同时留足两组试件(标准养护试件和同条件养护试件),并检查混凝土坍落度是否符合要求。
封锚材料必须将锚具、预应力钢丝头全部封锚堵密实,不得留有空隙,筋头、锚具不得外露。
5预应力混凝土技术综合优势及经济性比较
5.1使用功能
1)采用预应力混凝土无梁楼盖方案有利于减少地下室埋深及基坑的开挖深度。顶板做成预应力板后,则可以降低层高,减少水压力,减少了基坑的开挖深度。
2)采用预应力混凝土无梁楼盖方案有利于增加地下室的净空高度或者减少层高。对于8.0m跨度的楼盖体系,若采用普通钢筋混凝土梁板结构,梁需要占去900mm左右的净空,而采用预应力楼板后,取消了不必要的明梁,板厚为180～300mm(柱帽部分总高度约为500mm),这样在净空不变的情况下,至少可以减少600mm以上的层高。
3)采用预应力混凝土无梁楼盖方案具有优越的抗裂性,并解决了超长结构的温度应力。预应力不仅解决了竖向荷载下的抗裂问题,而且在混凝土顶板中建立了大约1.5～2.3MPa的预压应力,对超长结构抵抗温度应力以及混凝土收缩应力具有明显的优越性,结构还可不设施工缝。
5.2经济性比较
采用预应力混凝土无梁楼盖方案减少钢筋、混凝土用量,降低结构的造价。本工程相同条件下如采用普通钢筋混凝土结构配筋见图3,与图2预应力砼结构方案经济比较见表2。
上述比较中,混凝土综合价格按照400元/m3,普通钢筋综合价格按照3800元/t,预应力综合价格按照16500元/t。由表1的经济比较可以发现:采用预应力无梁楼盖方案比普通钢筋混凝土梁板方案每平米综合单价约低10%。
5.3对施工进度的影响
与普通梁板方案相比,预应力施工需要增加钢绞线的布置、张拉、灌浆等工序,但其中只有铺设钢绞线需要单独占用主导工序的时间,而模板的安装、普通钢筋的铺设的难度和工期都有较大节约,张拉和灌浆可以和其它工序同时进行,不影响施工进度,大量的工程实例表明,采用预应力有利于加快进度。
6结语
综上所述,预应力技术经过了多年的工程实践和不断发展,已经是比较成熟的一项工程技术,在今后的发展应用中,还将日臻完善。由工程实践可知,高效预应力技术在地下室顶板中的种种优势,具有有着强大的生命力和竞争力,一定会在未来的工程实践中得到更加广泛的应用。