超長預應力系梁施工工法

《超長預應力系梁施工工法》是中國建築第八工程局第三建築公司、南京東大現代預應力工程有限責任公司、江蘇邗建集團有限公司完成的建築類施工工法，完成人是楊中源、程建軍、沈興東、李龍、汪仲琦，適用於採用預應力梁平衡拱的推力的拱形結構工程中超長預應力系梁的施工。

《超長預應力系梁施工工法》主要的工法特點是採用定型支架固定預應力預埋理管及觀察段套管連線技術；採用特製的牽引頭和每根鋼絞線芯的墩頭技術；採用對稱張拉的方法。

2008年01月31日，《超長預應力系梁施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家一級工法。

基本介紹

• 中文名：超長預應力系梁施工工法
• 工法編號： YJGF019-2006
• 完成單位：中國建築第八工程局第三建築公司、南京東大現代預應力工程有限責任公司、江蘇邗建集團有限公司
• 主要完成人：楊中源、程建軍、沈興東、李龍、汪仲琦
• 套用實例：南京奧體中心主體育場工程
• 主要榮譽：國家一級工法（2005-2006年度）

形成原因

在大型拱結構中，為了平衡拱的巨大水平推力，通常採用預應力系梁。在南京奧體中心主體育場工程中，有兩道372米跨巨型斜鋼拱橫跨主體育場南北，鋼拱下設有預應力混凝土系梁（由於埋在地面以下，俗稱地梁）。地梁長396米，斷面為1450毫米×1050毫米（寬×高），每道地梁內埋設8ф180×6鋼管，在每根鋼管內穿過24根ф15.2高強度低鬆弛預應力鋼絞線，兩端錨固於鋼拱腳承台上。為了保證本地梁穿束孔預埋順直通暢、預應力筋穿束以及張拉成功，為此，中國建築第八工程局第三建築公司和南京東大現代預應力工程有限責任公司合作成立科技攻關小組，經過不斷地試驗、總結，形成一套396米預應力地梁施工技術。在此基礎上，經過進一步提煉，最終形成《超長預應力系梁施工工法》。

工法特點

1.《超長預應力系梁施工工法》通過採用定型支架固定預應力預埋理管及觀察段套管連線技術，確保了孔道平直順暢和穿束順利。

2.《超長預應力系梁施工工法》通過採用特製的牽引頭和每根鋼絞線芯的墩頭技術，以及採用三級穿束並進行分次牽引的方法，解決了超長預應力系梁穿束困難的問題。

3.《超長預應力系梁施工工法》通過採用對稱張拉的方法，解決了超長預應力系梁大噸位張拉的施工難題。

4.在預應力施工中，預應力系梁端部設定穿心式壓力感測器對張拉和使用階段系梁的應力、應變進行監控，同時在施工階段採用全站儀和百分表雙控措施對系梁拱腳基礎水平位移進行監控。

操作原理

適用範圍

《超長預應力系梁施工工法》適用於採用預應力梁平衡拱的推力的拱形結構工程中超長預應力系梁的施工，且預應力筋採用的是多束、每束多根、每根為1×7結構鋼絞線。該工法也可為其他超長預應力結構的施工提供參考。

工藝原理

《超長預應力系梁施工工法》的工藝原理敘述如下：

1.利用編束架對鋼絞線進行編束，通過採用特製穿束器、特製牽引頭等器具，以及採用三級穿束和卷揚機分次牽引的方法實現鋼絞線整束穿束。

2.根據上部拱形結構合攏、卸載及安裝附屬結構的各個過程的狀況，選擇合適的張拉時機和張拉順序，使用穿心式千斤頂，並採用群錨對稱張拉的方法實現預應力筋的張拉。

3.孔道超長、管壁對鋼絞線的摩擦情況不明確，對預應力鋼絞線的張拉伸長值無明確要求，而且拱腳推力過大或預應力系梁拉力過大都將使拱腳處承台及其承台下部樁發生水平位移，為防止引起結構破壞，故在張拉過程中採用以拱腳承台水平位移控制為主，結合控制張拉力的雙控方案。

施工工藝

• 工藝流程

《超長預應力系梁施工工法》的工藝流程是：施工準備→土方開挖→墊層混凝土→系梁底部鋼筋綁紮→預應力孔道留設→觀察段預埋管安置→系樑上部鋼筋綁紮→隱蔽工程驗收→系梁側模施工→系梁混凝土澆築（觀察段位置暫不澆築混凝土）→其他段系梁混凝土施工→穿ф6.5毫米鋼筋→穿牽引用鋼絞線→預應力鋼絞線芯墩頭處理→預應力筋穿束→觀察段套管安裝→觀察段位置系梁混凝土澆築→養護→預應力筋分批張拉→錨固→切割端部鋼絞線、端部封裹。

• 操作要點

《超長預應力系梁施工工法》的操作要點如下：

一、施工準備

根據現場實際情況和整個施工進度的安排，將預應力系梁分不同部位，組織分區段施工，並做好技術交底工作。

二、土方開挖、墊層混凝土施工

系梁基槽開挖後，儘快施工墊層混凝土。

三、預應力孔道留設

根據設計要求留設預應力孔道。若預應力孔道採用鋼管留孔，可採用型鋼焊成支架支撐預埋管，施工中用全站儀定位、水準儀抄平，在支架安裝完畢，並經覆核標高、位置無誤後，用膨脹螺釘將支架和混凝土墊層固定牢固。對於採用塑膠波紋管等輕型材料留孔，可採用焊接鋼筋支架支撐預埋管。預埋管標高上下誤差控制在±7毫米之內，水平位置和兩套管中心距誤差也不得大於±5毫米，套管整體直線順暢。

四、鋼筋綁紮

1.鋼筋綁紮時應留有預應力布管穿筋的位置和用於預應力分項施工的時間間隔。

2.先綁紮系梁底部鋼筋和箍筋，箍筋應開口設定。待預埋管埋設完畢後再綁紮系樑上部鋼筋並進行箍筋封閉。

3.綁紮鋼筋時，應保證預應力孔道坐標位置的正確，若有矛盾時，應在規範允許或滿足使用要求的前提下調整普通鋼筋的位置，必要時應與設計人員商量後確定。

4.鋼筋工程施工結束時應全面檢查預埋管，如發現問題應及時處理並做好記錄。

五、系梁側模施工

預應力系梁側模板應在鋼管固定好以及鋼筋隱蔽驗收合格後方可進行封模安裝。

六、混凝土分段澆築施工

1.為了防止混凝土系梁由於超長而產生收縮裂縫，應分段澆築混凝土系梁，分段長度不大於60米，並在混凝土中摻適量的微膨脹劑。

2.非預應力筋、預應力孔道預埋及支架位置、標高經檢查驗收符合要求後，進行系梁混凝土的澆築，在澆築時應認真做好預埋管下及其兩側混凝土的振搗。

七、預應力筋下料與墩頭處理

預應力筋按照單根使用長度在廠家下料，單根成捆運至現場。根據每束預應力筋的多少、鋼絞線中心鋼絲的直徑以及預應力筋孔道的大小，製作特製牽引頭，特製牽引頭如圖1所示。將鋼絞線外圍6根鋼絲剪短50～100毫米左右，留出中間1根鋼絲穿過特製牽引頭鋼板小孔後，進行墩頭處理，從而將整束鋼絞線和特製牽引頭連線在一起。

圖1 特製牽引頭

八、穿束

1.穿束時，先人工穿入一根直徑ф6.5毫米的鋼筋（圖2），通過鋼筋連線穿入一根高強預應力鋼絞線，在鋼絞線端部安裝特製牽引頭，用牽引頭固定經墩頭固定好的鋼絞線，利用卷揚機，整束一次性穿管。鋼絞線墩頭及牽引頭的連線示意如圖3所示。

圖2 穿鋼筋示意圖

圖3 預應力芯筋墩頭安裝後牽引示意圖

2.通過牽引頭和所有預應力鋼絞線連線固定，用作牽引的鋼絞線另一端與卷揚機鋼絲繩連線固定，然後進行鋼絞線的牽引工作。

3.每束預應力鋼絞線編組後採用卷揚機進行牽引。卷揚機鋼絲繩的另一端與牽引單根鋼絞線連線線固定後，通過牽引頭拉結預應力鋼絞線進行牽引。由於預應力筋較長，而現場條件有限，卷揚機鋼絲繩不能一次牽引到位，因此可分次進行牽引，即牽引一次後，重新轉換鋼絲繩與連線的牽引點進行牽引，直到全部牽引到位，每次牽引的距離可根據現場條件確定。分次牽引方法如圖4所示。

圖4 分次牽引鋼絞線示意圖

4.每束鋼絞線牽引到位後，將鋼絞線的墩頭芯線剪斷，待張拉時通過防松夾片錨具固定。

5.特別需要強調的是，在鋼絞線牽引過程中，預應力鋼絞線的相對位置要保持不變，並不能出現扭轉。首先根據現場的實際環境以及每束鋼絞線的根數，用腳手架鋼管搭設鋼絞線編束架；然後對牽引頭連線的每根鋼絞線編號，並針對鋼絞線分排設定，在編束時調整好每排鋼絞線位置，每隔4米用12號鋼絲捆成整體，編束架如圖5所示。在觀察段中對每排鋼絞線再次進行檢查。每束穿筋完成後在兩端對每根鋼絞線進行編號固定。

圖5 編束架示意圖

九、觀察段套管安裝及混凝土澆築

在超長預應力系梁施工中，為了在穿束時發生異常現象能夠進行二次處理，並保證預應力筋穿束更順暢，可在一定範圍內適當設定後澆段（後澆段長度一般為8.5米），並在後澆段的套管上各留出觀察段（長度一般為4米），預先放置觀察段套管，並套在預應力孔道預埋管上。在穿過預應力鋼絞線時，觀察鋼絞線在穿束過程中有無故障，待順利穿完後，將後澆段中套管就位封閉，綁紮好非預應力筋，經隱蔽工程驗收合格後進行預應力系梁後澆段混凝土澆築。後澆段和觀察段套管安裝就位如圖6所示。

圖6 觀察段套管安裝示意

十、張拉端端部處理

預應力錨具採用防松夾片錨具，端部採用專用配套鑄鐵錨墊板和螺旋筋，將其可靠地固定在鋼筋支架上，並凹進基礎側面600毫米。

十一、預應力張拉

由於拱結構自身的特性，屋面結構成型後拱在自重及上部荷載作用下將產生沿拱軸線的水平推力，該水平推力由預應力混凝土系梁承擔。為平衡拱體和屋面部分荷載對拱腳產生的水平推力，預應力筋分兩批進行張拉，每批進行對稱張拉，第一批張拉完後停止20小時，觀察拱腳位移和預應力鬆弛情況後，繼續張拉另一批預應力筋。

1.採用群錨進行張拉

張拉前，先加工直徑ф260×130毫米厚鋼板，並在鋼板上預先鑽孔（其中中心孔為排氣孔），使每束鋼絞線穿過鋼板，通過群錨夾片固定在ф260×130毫米厚的錨墊板上。採用千斤頂（千斤頂的型號根據計算確定）進行張拉，張拉時通過錨墊板將張拉應力均勻傳遞到拱腳基礎鋼承墊板上。群錨張拉如圖7所示。

圖7 群錨張拉端示意圖

2.張拉順序

1）預應力初步張拉∶預應力筋穿入孔道後，在正式張拉前進行初步張拉，調整預應力筋，使各預應力筋鬆緊一致；

2）上部拱結構合攏後、屋面結構胎架落架前張拉系梁預應力，用以平衡結構正常使用狀態下恆載產生的拱腳水平推力，監控一天時間。若張拉過程中拱腳水平位移大於極限值△（△為6毫米，下同）則停止張拉，若拱腳水平位移小於極限值△，則繼續張拉；

3）胎架下落過程中，對拱腳處水平位移進行實時監控。若其接近△，則對系梁繼續施加預應力，使之減小。落架過程分批分步進行，結合張拉系梁內預應力鋼絞線，使拱腳水平位移控制在限值△以內。

3.對稱張拉

由於每束鋼絞線的張拉應力特別大，施工時按以下順序進行對稱張拉，張拉順序如圖8所示。

圖8 預應力對稱張拉示意圖

4.採用雙控進行張拉

在張拉過程中，以控制拱腳承台水平位移為主，同時對張拉應力值進行控制。張拉施工前，在每個拱腳承台上設定2個位移觀測點，採用全站儀對拱腳水平位移進行監測，利用百分表進行輔助監控（圖9）；根據預應力系梁中無粘結預應力鋼絞線束的配置情況，在每道系梁的兩端埋設穿心式壓力感測器，分別埋設在兩根梁的對角張拉端，進行鋼絞線預應力值的監控測試，壓力感測器的布置如圖10所示。

十二、端部封堵

預應力筋張拉完畢經檢查無誤後，即可採用砂輪鋸和無齒鋸或其他機械方法切割多餘的鋼絞線，切割後的鋼絞線外露長度距錨環夾片的長度為30毫米，然後在錨具及承壓板表面塗以防水塗料，最後清理穴口，用C30細石混凝土進行封堵。

材料設備

一、材料要求

《超長預應力系梁施工工法》的材料要求如下：

1.進場的預應力鋼絞線性能應符合《預應力混凝土用鋼絞線》的規定。

2.錨具進場質量必須滿足《預應力筋用錨具、夾具和連線器套用技術規程》中的Ⅰ類錨具要求，錨具進場應檢驗合格證書、出廠檢驗報告，出廠證明檔案應核對其錨固性能類別、型號、規格、數量及硬度。進場後應按要求進行外觀檢查並取樣，進行硬度檢驗和靜載錨固試驗。

3.混凝土的強度不宜低於C40。

二、機具設備

《超長預應力系梁施工工法》所需的機具設備見表1。

質量控制

一、質量標準

《超長預應力系梁施工工法》除滿足設計圖紙外，還必須遵守《混凝土結構工程施工質量驗收規範》GB 50204—2002、

《無粘結預應力混凝土結構技術規程》JGJ 92—2004的有關規定。

二、質量保證措施

《超長預應力系梁施工工法》的質量保證措施有：

1.物資應在確定合格的分供方廠家中進行採購，所採購的材料、設備必須有出廠合格證、材質證明和使用說明書、材料進貨要對材料質量、規格、性能及服務進行多方面的考察或試驗後確定。

2.物資應根據國家、地方政府主管部門的規定、標準、規範及契約規定要求進行抽樣和試驗，並做好標記。

3.應配備足夠的施工機具及設備，所有的機具設備均應有專人負責維護和保養，使之始終處於良好狀態。張拉設備在使用前進行標定，並在施工中定期校正。

4.在布設預應力筋期間應加強定位點的保護以確保預應力筋的位置準確；同時還應注意保護鋼管及預應力端部的孔洞，以確保預應力筋的順利張拉。

5.穿束時，為了減少摩擦，並防止鋼絞線外皮損壞，應在觀察段設定輔助滾軸。

6.張拉施工時，預應力結構混凝土強度應符合設計要求，如設計無要求時，不應低於設計的混凝土立方體抗壓強度標準值的75%。

7.無粘結預應力筋鋪放、安裝完畢後，應進行隱蔽工程驗收，當確認合格後方可澆築混凝土；混凝土澆築時，嚴禁踏壓撞碰無粘結預應力筋、支撐架以及端部預埋部件，跟蹤檢查預埋套管和支撐架是否鬆動和位移；張拉端混凝土必須振搗密實。

8.錨固區後澆築的混凝土不得含有氯化物，以防氯化物對預應力筋和錨具的腐蝕。

安全措施

採用《超長預應力系梁施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.施工前先要做好班前安全教育和安全交底。未經三級教育的新工人不準上崗。

2.所有用電設備及配電櫃應安裝漏電保護裝置，並張貼安全用電標識，嚴禁無電工操作證人員進行電工作業。定期進行安全用電檢查，不符合要求的立即整改。

3.定期對各種設備進行調試、保養和維修，保證施工設備安全可靠，各種設備必須嚴格按安全操作規程進行操作，嚴禁違章作業。

4.油管接頭處、張拉油缸端頭嚴禁站人，操作人員必須站在油缸兩側。測量伸長值時，嚴禁用手撫摸缸體，以免油缸崩裂傷人。張拉用工具及夾片應經常檢查，避免張拉中滑脫飛出傷人。

5.油泵操作時應精力集中，給油、回油平穩，以防超張拉過大拉斷鋼筋造成事故。

環保措施

《超長預應力系梁施工工法》的環保措施如下：

1.在施工過程中，自覺地形成環保意識，最大限度地減少施工中產生的噪聲和環境污染。

2.機械操作人員應經過培訓，掌握相應機械設備的操作要求、機械設備的養護知識、機械設備的環保要求，緊急狀態下的應急回響知識後方可進行機械操作。其他人員操作前應進行環境交底，掌握操作要領，在混凝土澆築、穿預應力筋、預應力張拉、預應力錨固過程中減少環境影響。

3.張拉設備應定期保養、維護。作業時，油泵、千斤頂等設備應放置在隔油布上，避免由於油的泄漏而造成環境污染。

4.混凝土和預應力施工時的廢棄物應及時分類清運，保持工完場清。

5.嚴格按照當地有關環保規定執行。

效益分析

1.《超長預應力系梁施工工法》的成功套用解決了超大拱形結構系梁的施工難題，為預應力結構更廣泛地套用提供了依據，使建築平面布局更靈活。超長預應力結構的套用成功，不僅節約了鋼材，減少了維修費用，也提高了結構的耐久性，延長了建築物的使用壽命，為降低工程結構總造價提供了依據，並降低了建築物的全壽命周期成本。

2.《超長預應力系梁施工工法》滿足中國關於建築節能工程的有關要求，節約了資源，縮短了工期，而且對改善結構的性能，提高結構的安全性有意義。

3.《超長預應力系梁施工工法》在南京奧體中心主體育場工程、廣州大學城華南理工大學體育館和揚州市體育館工程中的成功套用也取得了很好的經濟效益，共取得經濟效益102.5萬元。

註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

套用實例

《超長預應力系梁施工工法》的套用實例如下：

• 實例一

南京奧體中心主體育場工程位於南京河西新城區江東中路222號，該工程於2003年1月

1日開工，2005年4月20日竣工。該主體育場四個拱腳基礎分別位於體育場的南北兩端、東西兩側，

每個拱腳基礎南北方向長30米、東西方向寬18米。南北拱腳基礎通過396米長預應力地梁連線，預應力地梁平面位置如圖11所示。

圖11 預應力地梁平面位置示意圖

預應力地梁的斷面為1450毫米×1050毫米（寬×高），每道地梁內埋設8ф180×6鋼管，在每根鋼管內穿過24Uф15.24高強度低鬆弛預應力鋼絞線，預應力筋每束長度達410米。396米長預應力地梁張拉完成14天內，鋼拱架落架結束，對拱腳基礎的觀察和預應力值監測結果如下：拱腳基礎產生的水平位移分別為1.1毫米和1.37毫米，均小於設計控制值6毫米，張拉後建立的控制應力分別為19896千牛和20096千牛，與設計要求的20000千牛相比，誤差值均在±6%以內。在拱架落架後約7天，通過感測器測定有一束預應力值為2491千牛，原測定值2514千牛，比張拉測定值小23千牛，另一束建立的預應力值為2486千牛，落架7天后，測定值為2435千牛，比張拉時建立的應力小1%~2%，經分析研究認為屬於預應力筋的鬆弛和溫度升高6~7℃而產生的應力損失，屬正常現象。

實例二

廣州大學城華南理工大學體育館的平面呈四邊形，每邊中部稍向外斜，長邊為97.5米，短邊為67.7米。其屋蓋結構採用混凝土大斜柱與扭殼相結合的新型結構體系。每兩根大斜柱組成人字架，柱腳採用預應力混凝土地梁，以承受水平推力。兩組人字架相互正交，將屋蓋劃分為四片預應力扭殼。

兩根預應力混凝土地梁的長度分別為150.826米和110.847米，截面尺寸為1400毫米×1000毫米，兩側擴展區寬度各為3000毫米，板厚300毫米，混凝土強度為C45。地梁混凝土澆築後恰遇雨天養護良好。預應力混凝土地梁內配置4束25ф15.2預應力鋼絞線，每根鋼絞線的張拉力為182千牛。為了提高地梁孔道密封性和耐久性，採用ф120塑膠波紋管留孔和真空輔助壓漿新技術。預應力鋼絞線束安裝採用3噸慢速卷揚機整束穿入，解決了超長預應力筋的穿束難題。

真空輔助壓漿用的水泥漿採用42.5R優質矽酸鹽水泥摻入JM-HF、灌漿專用外加劑（江蘇省建築科學研究院研製），經試配結果，配合比為水泥:外加劑:水=86:14:35（千克）。水泥漿製備採用高速攪漿機，流動度為12秒（用流錐儀測定），泌水率為零。壓漿時真空度為-0.06～-0.08兆帕，灌漿壓力為0.5～0.6兆帕。該工程預應力混凝土地梁已於2006年4月20日順利完成。

圖12 預應力地梁位置及截面示意圖

實例三

揚州市體育館工程位於新城西區，雙博工程西側、文昌西路北側。該工程主館一層，看台下頭夾一層，訓練館一層，輔助用房一層至二層，為一幢最多6926座位的大型體育館，其中固定座位4928座，活動座位根據不同的賽事可由1402座至1498座，體育館東西向總長約155米，南北向總長約166米。該工程於2004年9月28日開工，2005年4月28日竣工。揚州體育館屋架跨度89米，兩支座處設預應力地梁用以平衡三角拱的水平推力，三角拱為空間管桁架結構，預應力地梁採用31根鋼絞線構成的地梁，鋼絞線採用1860級低鬆弛塗蠟無粘結鋼絞線，端部採用防松夾片錨具，並注油封端保護；地梁外設鋼管護套，護套採用ф203×8鋼管。89米長預應力地梁張拉完成14天內，對拱腳基礎的觀察和預應力值監測結果如下∶拱腳處產生的水平位移分別為0.68毫米，小於設計控制值6毫米，張拉後建立的控制力為4021千牛，與設計要求的4000千牛相比，誤差值在±6%以內。

榮譽表彰

2008年01月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質[2008]22號，《超長預應力系梁施工工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。