钢管混凝土柱无粘结预应力框架梁施工工法

钢管混凝土柱无粘结预应力框架梁结构体系，即建筑物竖向结构采用钢管混凝土柱，水平结构采用无粘结预应力框架梁的新型结构。竖向结构采用钢管混凝土柱，减小了柱的截面提高了柱的承载力。水平结构采用无粘结预应力框架梁混凝土结构，减小了梁截面，提高了梁的承载力。两者有机地结合，均发挥了结构优势，而且钢管混凝土柱和无粘结预应力都具有比传统混凝土柱和有粘结预应力梁施工简便，易操作的优势，所以该体系是一种节能增效整体性好的结构，有广泛的发展前景。

一、特点

1．无粘结预应力混凝土的施工工艺比较简单，操作方便，技术先进，它的张拉机具简单轻巧，移动方便，可在高空和小空间内工作，张拉时间不占用工期。加快了施工进度缩短了工期。经济效益十分显著。

2．钢管混凝土柱施工不需模板，施工简单。

3．钢管混凝土柱和无粘结预应力框架梁均发挥了结构优势和特点，发展前景看好。

二、适用范围

本工法适用于单层、多层、高层、大空间、大跨度建筑物及特殊结构钢管混凝土柱无粘结预应力框架梁结构施工及钢管混凝土柱和无粘结预应力的单独施工。

三、施工工艺流程(见图1)

图1 施工工艺流程

四、操作要点

1．钢管混凝土柱的施工。

(1)确定钢管混凝土柱和无粘结预应力框架梁的节点构造。无粘结预应力框架梁和钢管混凝土柱交接处，仅穿过预应力筋和非预应力筋。如果整个梁都穿过钢管混凝土柱，对钢管的截面消弱较大。如果采用双梁法从钢管柱外侧穿过，增加双倍梁数不经济。梁和柱接头处的竖向剪力依靠穿过钢管的工字钢牛腿梁实现。其结点构造如图2。其构造要求如下：

图2 梁柱节点构造

①钢管柱上穿过的预应力筋和非预应力筋的预留孔和穿过的工字钢牛腿预留孔均在钢管厂预留，一般采用自控乙炔切割，切口光洁。②为保证安装钢管柱的预留孔位置容易控制，钢管采用定尺加工，一般每节钢管高3～4个层高。③由于纵横两个方向的预应力束竖向不可能交叉在一个水平面，故标高不同，差一个预应力束的位置，若计算上两个梁受力相同，为赶模板模数，位于下面的预应力梁截面应比上面的大100m，或在梁柱处加10cm腋，如图3。

图3

④穿过钢管柱的工字钢牛腿，必须坡口塞满焊。

(2)钢筋柱的安装。采用起重设备吊装，注意预留孔的方向，两个方向用经纬仪控制垂直度，对称焊接，焊缝要采用超声波探伤。

(3)预应力筋穿过钢管柱的施工。在楼板上1m处的钢管上开一个300mm×300mm的进入孔，既作为浇捣混凝土的施工口又作为穿预应力筋的施工口。先穿位于下部方向的预应力梁筋，再穿位于上部方向的预应力梁筋，无粘结预应力梁筋的穿设控制见后面的无粘结预应力的铺设章节。

(4)钢管柱内混凝土的施工。钢管柱内混凝土的浇注和水平结构混凝土同时施工，一层一浇筑，施工口用钢管上的开口，此口既作为混凝土入口又作为振捣口。施工缝留设在楼板上400mm左右。待混凝土终凝后清除钢管柱内上部的混凝土浮浆，待上层预应力筋铺设完毕，浇捣混凝土前，从开口处清理施工缝一次，然后焊接此口，焊缝采用超声波探伤。

2．无粘结预应力框架梁施工。

(1)制备无粘结预应力筋。

①确定下料长度。两端张拉时的下料长度 = 连续梁的外边线长度+(50～100)mm×跨数(曲线增加量)+2×750mm(张拉端预留)。一端固定，另一端张拉时的下料长度 = 连续梁的外边长度+(50～100)mm×跨数(曲线增加量)+2×750mm(张拉端预留)。精确计算时，先分跨计算单波长度，在各跨相加(见图4)，公式如下：

②定尺加工。无粘结预应力筋最好在厂家定尺加工，按长度、序号在端部贴上标贴，按施工部位和进度成捆包装，直接运到施工现场按标签长度对应使用，也可现场下料，但占用施工现场，必须有宽畅平整的场地，要用无齿锯成束切割，不得用电焊或氧乙炔切割。严禁无粘结筋导电。

图4

注：L1——中性轴以下抛物线的水平投影长度；

L2——中性轴以上抛物线的水平投影长度；

h1——中性轴以下抛物线的矢高；

h2——中性轴以上抛物线的矢高。

在加工和运输过程中，要保护无粘结筋外皮，避免破皮漏油，凡有破损处，用水密性塑料胶带进行修补，胶带搭压长度不小于带宽的1／2，缠绕数不少于4层。

(2)安放梁端锚垫板(承压板)。锚垫板根据梁的截面尺寸，梁柱的钢筋排布等具体情况精心设计。根据实际情况调节锚垫板处的柱主筋间距，梁的锚筋位置，以不碰撞预应力筋和锚垫板为宜。

柱钢筋绑扎完毕，初步安放锚垫板并固定，要求位置准确。浇完柱混凝土后，再校核锚垫板位置，进行微调，正式固定，或先校核锚垫板位置，正式固定后，再浇筑混凝土，锚垫板的固定方法有两个，一是和模板固定在一起，一是和柱主筋焊在一起，锚垫板自己加工，其形状以及和柱梁的位置关系见图5。

图5 锚垫板形状以及和梁柱的位置关系

锚垫板上打上钢号，梁两端对应，以便于穿人同根无粘结筋。

(3)铺放无粘结筋。梁底模铺设时，梁起拱应小于非预应力梁的起拱高度，一般为0.5L％o，因为梁张拉后起拱高度抵消部分梁自重产生的挠度，梁的非预应力筋和箍筋绑扎完毕，按照梁的无粘结筋“失高控制图”安放失高控制架。失高控制架构造见图6、图7。

图6 失高控制架

图7 U型卡图

支架所用的钢筋，必须用无齿锯定长切割，严格控制尺寸。也可不要马凳，把失高控制架焊在梁箍筋上。支架固定完毕，检查验收，偏差控制水平方向+30mm，失高+5mm，重点反弯点处。　　每7根无粘结预应力筋为1组，成1束(如图5)，必须按承压板上的编号顺序从一端向另一端传递铺设，并要穿过螺旋筋。在承压板内侧300mm范围内的无粘结筋应为平直段。梁端铺放顺序如下：

每穿过一根无粘结预应力筋，按照其组束位置(见图8)，用20#铁丝临时固定在支架上，待穿完1束后，再正式组束。每1.5m绑扎1道，其过程可通过第一束来演示(见图9)。这样才能保证每根预应力筋相互平行，不相绞扭。

图8

图9

组束时，一端张拉的预应力筋从固定端向张拉端推进，两端张拉的预应力筋从一端向另一端推进，并拆除失高控制架上的临时绑线，组完束后，用18#铁丝把预应力束绑扎固定在支架的U型卡处(图9)。

无粘结预应力铺设过程中，再一次检查外观是否有破损漏油处，应及时进行修补。预应力筋铺设完毕要对无粘结筋、失高控制点、承压板、固定端锚具进行一次检查验收。

(4)混凝土浇筑。应保证不扰动承压板和预应力筋，严禁触碰无粘结预应力筋的塑料外皮。不漏振，尤其承压处钢筋密，构造复杂，必须确保混凝土密实。　　除了按规定做标养混试块，还应增加几组同条件混凝土试块，用来确定混凝土张拉前的强度。

(5)张拉。

①确定张拉力。预应力筋张拉力 PJ = σcon ×AP式中σcon——预应力筋的张拉控制应力；AP——预应力筋的截面面积。无粘结预应力筋的张拉控制应力σcon不应超过规范的规定，见表1。

表1 最大张拉控制应力允许值

注：fptk为预应力筋极限抗拉强度标准值；

fptk为预应力筋屈服强度标准值。

若设计提供的是有效预应力值σpe，张拉控制应力为：

式中σpe——第 项预应力损失值。预应力损失值厅σ1i已列入混凝土结构设计规范，设计时一般都计算在内。只有在施工条件变化时，才需重算预应力损失值，调整张拉力。根据张拉力，确定千斤顶油压，用油压表来控制张拉过程的张拉力。油压 = 预应力张拉力／千斤顶张拉缸液压面积绘制千斤顶油压和张拉力关系曲线，以备张拉过程用油压控制张拉力。②确定理论伸长值。根据规范规定，预应力筋张拉伸长值ΔL，可按下式计算：

式中 P——预应力筋的平均张拉力，取张拉端拉力与计算截面处扣除孔道摩擦损失的拉力平均值；LT——预应力筋的实际长度；AP——预应力筋的截面面积；ES——预应力筋的弹性模量。孔道摩擦损失口σL2计算：a．理论计算(见图10)。预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失σL2 (简称孔道摩擦损失)，可按下列公式计算：式中k——考虑孔道(每米)局部偏差对摩擦影响的系数(查表2)；x——从张拉端至计算截面的孔道长度(以m计)，也可近似地取该段孔道在纵轴上的投影长度；μ ——预应力筋与孔道壁的摩擦系数(查表2)；θ——从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角(以弧度计)。当μθ+ kx ≤0.2时，σL2可按下列近似公式计算：

σL2 =σcon（kx + μθ）

图10 孔道摩擦损失计算简图

b．对多曲线段或直线段与曲线段组成的曲线预应力筋，张拉伸长值应分段计算，然后叠加，即：

式中Li——第i线段预应力筋长度；σi1、σi2——分别为第i线段两端的预应力筋拉力。c．对抛物线曲线，θ与LT值可参考图11按下式计算：

θ／2 = 4H／L(rad)

式中L——抛物线的水平投影长度；　　H——抛物线的矢高。

图11 抛物线的几何尺寸

d，预应力筋的弹性模量取值，对张拉伸长值的影响较大。因此，对重要的预应力混凝土结构，预应力筋的弹性模量应事先测定。

表2 系数k与μ值

注：式中参数可参照有关规范和资料">资料规定取值。

孔道摩擦损失σi2也可现场测试，测试的方法通常有“精密压力表法”和“传感器法”。③预应力筋张拉。a．张拉前，清理穴模，剥去承压板无粘结筋的塑料皮，用棉纱擦净润滑油，安装锚环、夹片，安装顶压器及千斤顶。b．张拉时，严格控制给油速度，要求平稳，单根筋张拉给油时间控制在30s以上。c．张拉方式为两端同时张拉，采用超张拉，即加荷方式0～103％σcon。(持荷3min)，顶锚推力不小于25kN，两端张拉人员用报话机联系，保持同步张拉，其压力差不得超过10MPa。d．张拉进行双控，以控制拉力为主，控制伸长值为辅，张拉力误差+5％设计控制拉力之间。实测伸长值一般为计算伸长值的 – 5％～+10％范围内，当超出此范围时，应停止张拉，查明原因。测量伸长值时，应在达到控制拉力的10％时开始测量记数，测量此时千斤顶油缸的伸长值，再测量达到预应力张拉力时千斤顶油缸的伸长值，两者之差即为预应力伸长值。e．张拉中，当个别钢丝发生滑脱和断裂时，可相应降低张拉力，但断丝和滑脱数量不得超过结构同一截面无粘结筋总钢丝数的2％，且一组束中只能允许一根丝。f．每层中的预应力梁的张拉顺序，应由设计确定，设计未明确时，采取对称张拉。每根梁的预应力筋也应对称张拉，以减少补张拉。对先张拉的部分无粘结筋要进行一次补张拉，张拉力损失超过5％的，要再张拉到控制拉力。g．填写张拉记录，每张拉1根无粘结筋，必须如实填写一次(用千斤顶施加预应力记录)。　　(6)锚固区防腐蚀处理。预应力筋张拉完毕，经检查合格，用砂轮切割机除多余部分，切割后露出锚具夹片不小于20mm。然后在承压板涂刷混界面处理剂，用自制的塑料盖帽内装满防腐润滑油脂，罩上锚具端头进行封端，然后用与结构同等级的微膨胀混凝土封闭穴槽。

(7)张拉时间安排。当结构同条件混强度达到设计强度(不低于75％标准强度)时，安排张拉。高层施工夏季可利用爬架底部的工作面“一层一拉”，冬季强度增长较慢，不能利用主体施工爬脚手架，可单独搭设脚手工作台，数层“顺向张拉”。

(8)技术资料。有无粘结预应力张拉记录，要求签字齐全，钢铰线、钢丝束、锚具的出厂证明及力学性能复试报告，配套油泵，千斤顶标定试验单及检验证明，无粘结预应力筋张拉伸长记录。

五、材料与机具设备

1．无粘结预应力筋的质量要求及注意事项。

(1)预应力钢材。制作无粘结预应力筋用的钢丝和钢绞线，其质量应符合JG3006的要求，并应附有质量证明书。

(2)防腐润滑涂料。无粘结应力筋的涂料层具有良好的化学稳定性，对周围材料无侵蚀作用，不透水，不吸湿。抗腐蚀性强，润滑性好，摩擦阻力小，在规定温度范围内高温不流淌，低温不变脆，并有一定的韧性。涂料层应符合JC 3007标准要求。

(3)护套材料。外包层材料应足够的韧性，抗磨性强，不侵蚀周围材料。

(4)无粘结预应力筋技术性能详见有关规范。

2．锚具的质量要求。

(1)选用单孔夹片锚具，无粘结预应力钢绞线选用直缝或斜缝夹片锚具，无粘结预应力钢丝束宜选用斜缝夹片锚具。

(2)锚具符合1类锚具技术性能，锚固能力不小于无粘结预应力筋标准抗拉强度的95％，锚固阶段的内缩量不大于5mm，效率系数不小于0.95。

(3)预应力的锚具、夹具和连接器应有出厂合格证，并在进厂时按下列规定验收：①外观检查。应从每2批中抽取10％但不少于10套的锚具，检查其外观和尺寸。当有一套表面有裂纹或超过产品标准及设计图纸规定尺寸的允许偏差时，应另取双倍数量的锚具重做检查，合格者方可使用。②硬度检查。应从每批中抽去5％但不少于5件的锚具，对其中有硬度要求的零件做硬度试验，对多孔夹片式锚具的夹片，每套至少抽5片。每个零件测试3点，其硬度应在设计要求范围内，当有1个零件不合格时，应另取双倍数量的零件重做试验，如仍有1个不合格，则不得使用或逐个检查，合格者方可使用。③静载锚固性能试验(图12)。经上述两项试验合格后，应从同批中抽取6套锚具(夹具或连接器)组成3个预应力筋锚具(夹具或连接器)组装件，进行静载锚固性能试验，但当有1个试件不符合要求时，应别取双倍数量的锚具(夹具或连接器)重做试验，如仍有1套不合格，则该批锚具(夹具或连接器)为不合格品。

图12 静载锚固性能试验装置

注：对于一般工程的锚具(夹具或连接器)进场验收，其静载锚固性能，也可由锚具生产厂家提供试验报告。

(4)钢管应有出厂质量证明，并进行化学、机械性能复试。

(5)焊缝应进行超声波探伤。

3．设备的配制。

(1)配置3台YC20D穿心双作用千斤顶，其中1台备用。技术性能：额定油压：40N／mm2；张拉缸液压面积：51cm2；公称张拉力：200kN；张拉行程：200mm；穿心孔径：31mm。

(2)配置3台ZB4—500型电动油泵，其中1台备用。额定油压50N／mm2(双路供油时为40N／mm2)。　　电动机型JQ2主要技术性能如下：32—4J2；功率3.0kW；出油嘴个数2个，用油种类10#、20#机油；净重120kg。　　(3)张拉设备使用前必须进行标定和校验。

六、质量检验标准

1．无粘结预应力筋应符合《钢绞线、钢丝束无粘结预应力筋》 (JG 3006)的有关规定。

2．无粘结预应力用油脂应符合《无粘结预应力筋专用防腐油脂》JG 3007)的有关规定。

3．《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ／T92—93)。

4．《钢结构工程施工及验收规范》(GB 50205—95)。

5．施工符合《混凝土结构工程施工及验收规范》(JG 50204—92)和《建筑工程质量检验评定标准(GBJ 301—88)》的有关规定。

七、劳动力组织及安全

1．劳动力组织。(1)安放锚具。技术负责人1人，电焊工1人，力工2人，共4人。(2)铺放预应力筋。技术负责人1人，现场工长1人，技术员1人，技术工人10人，共13人。(3)张拉时，技术负责人1人，技术员2人(负责张拉)，记录员2人，协调员2人，共7人。(4)锚固区防腐处理2人。(5)钢管混凝土柱的施工。技术负责人1人，现场工长1人，技术员2人，电焊工人8人，起重工5人，共17人。

2．安全要求。(1)进入现场的操作人员必须戴安全帽，穿防滑鞋、工作服。(2)预应力张拉工作面上面上空应有安全网。(3)张拉中严禁在油缸方向站人。(4)高压油泵的油箱油量不足时，要在没有压力下加油，一般为20#油，冬季用10#航空液压，严禁用酒精、甘油、水代替。　　(5)设备用电要按照安全要求，由专业电工来操作，以防触电。

八、工程实例

1．概况。天津金融大厦是我公司承建的一座超高层建筑，地上36层、高153.5m。标准层1100m2，水平结构采用了无粘结预应力扁梁结构，梁截面600×600(500)mm2，每根梁配置3束7ΦJ15无粘结预应力钢绞线，每层有5根扁梁，柱采用Φ1220×15.4，ss400等级的钢管混凝土桂，四层以下混凝土等级为C50，五层及以上为C40。其平面结构如图13，共使用了130t无粘结预应力钢绞线。该工程通过了中建总公司科技示范工程验收，工程质量荣获天津市优质工程和国家建筑工程鲁班奖等荣誉。

图13 预应力框梁结构平面

2．经济社会效益。(1)若采用普通混凝土柱，截面至少为1500mm×1500mm，混凝土强度等级还要提高，普通混凝土梁，截面至少800mm高，所以增大了使用空间，减小了层高，同样的檐高，增加了2层建筑面积，降低了造价。(2)钢管混凝土柱减少了模板投入，无粘结预应力筋可在工厂内加工成型，减少施工现场繁重的工作，从而大大减轻了工人的劳动强度，减轻了现场空间紧张的压力。(3)无粘结预应力采用单孔锚具，小型张拉机具，施工轻巧、简便，劳动强度小，施工速度快。