多层大面积预应力快速张拉技术研究与应用

2020-07-10张志威王振宇兰文臣夏海杰

工程质量 2020年1期

李阳，张志威，王振宇，兰文臣，夏海杰

（中国建筑第八工程局有限公司，北京 100097）

0 引言

随着科技的进步，社会的发展，大型公共建筑工程越来越趋于空间大、构件尺寸小、型式复杂、承载能力大的特点，使得预应力技术在大型公共建筑工程中运用广泛。在北京大兴国际机场停车楼工程中，其预应力管道相对于钢筋而言是较大的躯体，在密集的钢筋骨架中通过就显得有些困难。在工程快速建造的迫切压力下，预应力张拉与下部支撑架体拆除的矛盾也是一个挡在快速前进路上的绊脚石。该工程从土方、桩基施工到工程竣工，体量巨大、工序多、穿插施工多、周转料具投入量大、建设要求高，工期紧张，预应力复杂节点问题和架体周转工期紧张问题较为突出。

1 工程概况

北京大兴国际机场定位为大型国际航空枢纽，是展现中国国家形象的新国门，受到社会各界广泛关注，社会影响大。承建该工程意义大，责任大。习近平总书记在视察北京大兴国际机场时指出，大兴国际机场建设标准高、建设工期紧、施工难度大，全体建设者辛勤劳动、共同努力，高质量地完成了任务，把大兴国际机场打造成为精品工程、样板工程、平安工程、廉洁工程，向党和人民交上了一份令人满意的答卷。

北京新机场停车楼及综合服务楼工程位于北京大兴国际机场航站楼北侧，占地面积约 15 万 m2，总建筑面积 50.3 万 m2。由地下的轨道交通北段及地上的东西两个停车楼、中间的综合服务楼 3 大部分组成。其中地下轨道交通（北段）约 10.7 万 m2，两座停车楼 26.4 万m2。地上 3 层结构，平面占地面积大、型式复杂、荷载大，在梁板中均采用了预应力技术来控制结构挠度与裂缝并提供部分承载力，以此提高结构正常使用状态性能。工程效果如图 1 所示。

图1 工程效果图

北京新机场停车楼及综合服务楼工程为钢筋混凝土框架结构，内部含有劲型钢结构、屈曲支撑等，外部连桥为钢结构，综合服务楼屋顶为钢结构托金属板造型，基础采用桩筏基础。

本工程预应力区域所占面积大，约 50.3 万 m2，钢绞线总量约 5 000 t，跨度大，采用了有粘结预应力技术、无粘结预应力技术。有粘结预应力技术：用于本工程轨道交通地下部分的结构转换层，轨道交通 -6.6 m 层梁，钢绞线用量约 580 t，以抵抗大跨度及上部结构荷载产生的效应，提高结构及构件性能。无粘结预应力技术：用于本工程 -2.0 m 结构梁板及停车楼地上结构，钢绞线用量约 4 280 t，以实现停车楼的大跨度功能。

2 工程难点及特点

2.1 工程意义重大

工程体量巨大，混凝土总用量达 110 万m3，钢筋16 万 t，土方开挖量 210 万 m3，工程桩和支护桩 9 000 余根。工程结构复杂，大跨度及高大空间多；装饰装修和机电工程工程层多、面广、系统复杂。工期要求 2016 年 4 月27 日开工，2017 年 4 月 30 日完成地下结构，2017 年 12 月31 日完成封围封顶，还需经历冬季、雨季和春节，对工期影响较大。从土方、桩基施工到工程竣工，工序多、穿插施工多、周转料具投入量大、建设要求高，工期紧张。

2.2 轨道顶板转换结构层预应力布设面积大且布设节点复杂

工程地下 2 层为轨道交通站台层，高铁、地铁、快轨等线路穿越工程下部，轨道交通地下 2 层结构顶板为转换结构。转换层结构包括框支梁、梁上起柱、劲型结构等；同时还包括大面积预应力钢筋分布，设计非常复杂。

工程预应力分为有粘结和无粘结预应力两种，分布面积 37.1 万 m2，预应力筋 2 752 t，大预应力分布于地下 1 层轨道交通顶部梁板、首层板及停车楼地上梁板，分布广，安装量大。在梁柱交叉位置，普通钢筋和预应力钢筋相互穿插，工期紧，易出现不合格情况影响结构安全，产生结构裂缝，施工中加强预应力施工质量控制和细部节点深化是保证结构安全的施工重难点。

2.3 轨道交通顶部高大模板投入量大且危险性大

本工程地下 2 层轨道交通面积为 10 万 m2，整层高度为 11.65 m，顶部梁板截面大。模板支架属超过一定规模危险性较大的工程，且一次投入量大。高大模板及其支架施工的危险性较大，其支撑体系强度、刚度、稳定性是保证结构施工质量、安全的关键，拆除时间越晚存在的风险越大。

3 项目预应力施工存在的问题

3.1 有粘结预应力管道在梁柱节点无法通过

轨道交通及停车楼结构均为大跨度结构，为更有效地保证空间和大跨度功能，构件存在尺寸小、钢筋密的特点，在梁柱节点处钢筋极其密集，存在有粘结预应力管道无法通过的情况。以最简单的框架节点如KZLB-G10（XL06-XL02）框架梁为例进行说明。该框梁截面 1 4 0 0 m m×2 0 0 0 m m，预应力配筋6×11φ15.2 mm有粘结钢绞线。项目大部分有粘预应力梁与此梁配筋类似，现以该梁及节点为例进行施工分析。

此预应力梁所对应柱截面编号为方柱 E-KZZ1a，其中上部为圆柱 A-KZ1f，柱截面配筋如图 2 所示。

图2 柱截面配筋图（单位：mm）

标高 -6.6 m 下部方柱配筋为 36φ32 mm，钢筋净间距理论上为 86 mm。上部圆柱钢筋需下伸约 1.8 m 左右，圆柱竖向筋水平向净距为 14～95 mm。重合后如图 3 所示。

图3 柱配筋组合图

上部圆柱与下部方柱竖向钢筋重叠后，在波纹管穿行路径方向，理论上钢筋平面最大净距不足 40 mm，再加上箍筋、拉钩和施工偏差等致使此处钢筋更为密集，而波纹管尺寸约 90 mm 以上，波纹管在圆柱范围无法通过。如图 4、图 5 所示。

图4 梁柱节点三维图

图5 波纹管通过柱三维图

3.2 梁柱节点波纹管容易损坏

梁柱节点处钢筋密集，作为预应力管道的波纹管勉强通过后极其拥挤，保护波纹管道的完整性是施工中的一大难题，稍有破坏、灌浆不密实，通常存在积水、管道堵塞、漏浆现象。钢绞线在内部容易受到锈蚀，会产生断面亏损、应力下降情况，耐久性受到影响，同时并不能实现有粘效果。

3.3 传统支撑架体制约预应力张拉

北京新机场停车楼及综合服务楼工程地下 1 层板及地上停车楼部分均涉及预应力筋分布，预应力分布面积广，跨度大，共计约 37.1 万 m2。若上述预应力分布区域采用传统碗扣架体，立杆间距过小，空间有限，不满足预应力张拉作业条件；同时预应力张拉前下部支撑体系不得拆除，否则将严重影响结构安全，按此逻辑推理，只有在完成顶层预应力张拉后方可对下部各楼层的架体依次进行拆除，如此将造成大量架体材料无法周转使用，架体一次性投入量极其巨大，且架体拆除时间滞后，无法及时插入下道工序施工。同时增加了架体租赁费用，提高了项目成本。

3.4 梁托柱结构预应力张拉工艺复杂

因建筑造型、地下轨道交通和工艺流程需要，部分结构柱落在结构梁上，形成梁托柱结构。该部位托柱梁采用有粘结后张拉预应力工艺，该工艺施工工艺复杂，在进行张拉时需要现场灌浆，耗时，提升了较大的时间成本，影响工期。

3.5 地下 2 层轨道交通区域移交节点时间紧张

地下 2 层轨道交通区域面积大，支撑架体高度超过10 m，模板和架体的拆除难度高，安全隐患较大，拆除和整理外运的时间长。同时，若地下 1 层和停车楼地上部分采用传统架体，难以按期完成施工任务。

4 方案选择

4.1 预应力张拉深化

在进行预应力张拉与架体整合设计时考虑施工简便，依据“施工图设计总说明”，预应力梁采用后张有粘结预应力技术，同时考虑到缓粘结预应力技术相关优点，将停车楼和综合服务楼结构转换梁及大跨度梁等部位由粘结后张拉预应力技术深化设计为缓粘结预应力技术。该技术施工简便，大大缩短了张拉周期，提高张拉质量，使得架体得到提前拆除。

缓粘结预应力技术［1］是继无粘结预应力、有粘结预应力技术之后发展起来的一项新的预应力技术。缓粘结预应力结合了无粘结的施工特点，有粘结的力学特点，集两者的优点，布置灵活，采用单孔锚具，不需要穿波纹管、不需要灌浆。缓凝粘合剂固化后，在力学上最终达到有粘效果。现根据有粘接和缓粘接两种预应力技术施工工艺特点及具体施工条件进行对比分析。

4.1.1 有粘结预应力与缓粘结预应力施工工艺比较

1）有粘结预应力主要工序为：穿波纹管→波纹管中穿钢绞线→张拉→灌浆→封锚。

2）缓粘结预应力主要工序为：穿钢绞线→张拉→封锚。

4.1.2 缓粘结预应力比有粘结预应力的优势

1）缓粘结预应力具有无粘结的工艺，有粘结的效果，施工方便快捷。

2）单根单孔布置，直径小（15.2 mm 缓粘结钢绞线直径只有 23 mm，21.8 mm 规格缓粘结预应力钢绞线直径只有 30 mm），布置灵活。

3）从根本上规避了有粘预应力普遍存在的空洞、积水等灌浆不密实情况，避免了有粘结预应力所存在的各种施工质量问题，保障了施工和有粘结的效果。

4）缓粘结预应力无需穿波纹管、无需加腋，施工非常简便且施工质量易保障。张拉端可以随意出，不用考虑洞口、高差和柱筋。

4.2 支撑架体深化设计

项目部大胆创新，在经过对支撑体系的深化设计和市场考察后果断突破传统碗扣架体限制，在满足预应力张拉要求的同时结合工程大截面梁板构造尺寸的特点，决定在地下 1 层以及停车楼地上使用承插型键槽式脚手架作为模板支撑架体。采用键槽架体可以加大立杆间距，为在架体内部进行预应力张拉作业提供了充足的空间。同时键槽架体受力稳定，承载力强，抗倾覆能力强，架体搭拆速度快，减少了人工，加快了施工进度。

5 施工重点技术剖析

多层大跨度预应力快速张拉技术，在于采用缓粘结预应力筋与承插型键槽式脚手架相结合，可在下部架体拆除后进行张拉，有充足的空间在架体内部进行预应力张拉作业，充分考虑预应力张拉点位置，使立杆与张拉点避让，保证了预应力张拉在架体内顺利进行。每层结构达到张拉要求即可进行张拉作业。每层结构张拉完成后，由下层结构至上层结构拆除架体，与结构流水施工，施工简便，大大缩短了张拉周期，提高张拉质量，使得架体提前拆除。

5.1 缓粘结预应力技术

5.1.1 条件分析

1）本工程部分位置上部圆柱与下部方柱竖向钢筋重叠后，在波纹管穿行路径方向，理论上钢筋平面最大净距不足 40 mm，再加上箍筋、拉钩和施工偏差等致使此处钢筋更为密集，而波纹管尺寸约 90 mm 以上，波纹管在圆柱范围无法通过。

2）梁柱节点处灌浆不密实，通常存在积水、管道堵塞、漏浆现象，钢绞线在内部容易受到锈蚀，会产生断面亏损、应力下降情况，耐久性受到影响，并不能实现有粘结效果。

3）单个有粘结张拉端锚垫板较大（250 mm×250 mm），需要做加腋（单个尺寸 3 500 mm×750 mm×750 mm，1.3 m3、3.3 t）处理，且整体较大，增加结构自重。

4）柱筋较密，张拉端遇两端均为洞口且不能做外凸（或梁侧为洞口、高差无法做加腋），锚垫板无法安装。

通过讨论分析，对该种部位采用缓粘结预应力技术。缓粘结预应力主要工序为：穿钢绞线→张拉→封锚。

5.1.2 缓粘结技术的应用

1）考虑支座受力影响，柱边做 2 个小加腋（1 500 mm ×300 mm×2 000 mm 三角）分 2 束在柱外通过，其余 4 束柱内通过，预应力重新孔道排布。如图 6 所示。

图6 中间 2 束改缓粘结预应力图

2）束有粘结管道两端对调，各出 2 个张拉端（9 孔锚具），单个加腋可减小到 2 000 mm×450 mm×450 mm（0.18 m3、0.45 t），减轻结构自重（单个柱子负重最大1.8 t），遇到洞口或降板无法做加腋的非托柱梁跨可适当更改。

5.1.3 实施效果

本工程采用缓粘结施工技术，通过增设了缓粘结预应力钢筋，解决复杂梁柱节点预应力钢筋贯穿问题。

5.2 预应力张拉与架体整合设计

5.2.1 架体支撑

地下 1 层以及停车楼地上使用承插型键槽式脚手架作为模板支撑架。通过选用键槽架体代替传统碗扣架体，将立杆间距由 600～900 mm 扩大至 1 200 mm，立杆平面布置考虑预应力张拉点位置，使立杆与张拉点避让，为在架体内部进行预应力张拉作业提供了充足的空间，保证了预应力张拉在架体内顺利进行，如图 7 所示。编制键槽架体施工方案时，绘制详细的立杆平面布置图，充分考虑预应力张拉点位置，使立杆与张拉点避让，保证了预应力张拉在架体内顺利进行，如图 8 所示。