先张法预应力拱形屋面预制板在单层散装储粮仓顶盖结构中的应用

摘 要：文章以工程实例，对预应力拱形屋面板的预制、吊装进行较为系统的描述，预应力拱形屋面预制板在单层散装储粮仓顶盖结构中的可靠应用，显示出此种方法的可行性，与现浇屋盖相比具有节省造价、减轻自重、缩短工期及提高施工安全度的优越性。

关键词：先张法；预应力；拱板预制；储粮仓顶盖

粮仓设计平面一般采用圆形或矩形，因储粮的特殊性开间大体量大、层高高跨度大；从耐火性能考虑，大梁或顶盖不常采用钢结构，一般设计为现浇预应力钢筋砼拱板结构。

粮仓现浇大梁或顶盖时，需搭设满堂扣件式钢管脚手架模板支撑系统，耗用大量的周围材料，施工安全危险性也较大；而且结构现浇作业工期较长、结构用材多自重大，预应力作业操作不便、难度大。若进行设计施工优化，采用地面预制预应力钢筋砼拱板，然后吊装，则以上问题就迎刃而解或是大为改善。

1 实例工程项目概况

某粮食物流中心工程，位于水运交通方便的运河东侧。储粮仓为7栋散装平房仓，平房仓的长宽尺寸为120m×24m、108m×24m两种，最大建筑高度10.45m，拱板搁置高度8.01米，总建筑面积2万多平方米，平房仓的顶盖设计采用先张预应力拱板原位现浇钢筋砼结构。鉴于预制比现浇具有诸多的优势考虑，在正式开工前，监理单位及施工总承包单位均向建设方提出建议方案，将原位现浇优化为地面预制再吊装；建设单位组织专家评估论证同意了此建议，设计单位核算出图进行了正式变更。实际屋盖结构采用预制先张法预应力钢筋砼拱板然后起吊安装，预制拱板长24.72m、宽1.19m，共计831块。

2 先张法预应力钢筋砼拱板的预制

2.1 工艺原理

先张法预应力施工是先将预应力筋张拉到设计控制应力，用夹具临时固定在台座上，然后浇筑混凝土；待混凝土达到设计强度后放张钢筋，靠预应力筋与混凝土之间的粘结力，在混凝土构件中产生预压应力。预加压应力可以抵消荷载作用后在混凝土内产生的部分或全部拉应力，从而提高混凝土构件的抗裂性和刚度。

2.2 场地选择及砼垫层施工

2.3 预制流程及施工要点

2.3.1 预应力混凝土拱板

预应力钢筋混凝土拱板，其上弦为抛物线，下弦为水平板，上下弦之间间隔设置预制钢筋砼撑板。拱板高244cm，跨度24米，预应力钢筋砼拱板形状尺寸见图1。上下弦及上下弦间撑板砼设计强度等级均为C35，上弦主筋采用￠8三级钢，下弦预应力筋设计为42根（￠=10）CRB800冷轧带肋钢筋，强度等级fpy=530N/mm2，fptk=800N/mm2，预应力控制σcon=560N/mm2；构件其他配筋采用冷轧带肋钢筋CRB550级，fy=360N/mm2，fstk=550N/mm2。

2.3.2 预制流程

预制拱板工艺流程：施工准备预制隔板、材料设备检测、台座设计施工台面涂隔离剂张拉预应力钢筋预应力值检测锚筋绑扎、绑扎下弦板钢筋安放隔板、支拱模架安装模板安放预埋件、绑扎上弦板钢筋砼试块制作、浇注下弦板砼浇注上弦板砼放张砼试块检测、预应力筋放张养护。

2.3.3 施工方法要点

（1）先张法墩式台座设计施工。

采用先张法预应力墩式台座，在施工现场生产预制，预制场建在粮库仓内地面，采用四榀屋面拱板在一条直线上首尾相接一次性张拉预制。需考虑：台座必须具有足够的强度、刚度和稳定性，满足抗倾覆和抗滑移的要求，易施工操作且经济适用。

先张法预应力墩式台座，由传力墩、台座板、台面和钢梁锚固板等组成，传力墩、台座板、台面共同受力，台座计算主要包括稳定性和强度方面的验算。根据先张法台座设计技术指标，抗倾覆安全系数不小于1.5，抗倾滑移安全系数不小于1.3。台座采用C25混凝土，台面为120厚C20素混凝土，宽1500mm，四榀拱板首尾相连采用整条预应力筋张拉，即台座长度为4倍拱板长加间隙及操作长度，总长为99.88m。

（2）预应力钢筋下料安装。

（3）预应力钢筋张拉。

预应力钢筋张拉：在同一条生产线，按对称的原则从中间向两侧逐根进行张拉锚固。

预应力钢筋张拉控制采用双控法，应力控制为主张拉伸长值进行校核，实际伸长值与理论伸长值的差值应控制在6%以内。

预应力钢筋张拉采取一次超张拉方式，实际施工中考虑减少预应力损失，如测力仪的误差、温度影响、台座横梁刚度等，预应力筋张拉控制采用超张拉，应力值控制在不超过设计值的5%，即0105%σcon（持荷2min锚固）。

（4）预应力钢筋张拉值检测。

（5）拱板砼浇筑作业。模板支设、钢筋绑扎、砼浇捣与养护等工序严格按相关要求进行。

（6）预应力钢筋放张。

a.放张要求。拱板混凝土强度达到设计要求凝土强度的85%时方可进行预应力钢筋的放张。先拆除侧模，使放张时构件能自由伸缩，否则将损坏模板或使构件开裂。

b.放张顺序。应缓慢放张预应力钢筋，对称、相互交错地逐根用钢筋钳剪断预应力钢筋，以防拱板开裂、翘曲。各拱板预应力钢筋剪断顺序，宜由放张端开始，逐次切向另一端。

c.钢筋回缩值检查。

2.4 张拉施工中易出现的质量问题及处理措施

2.4.1 预应力筋张拉时滑丝、断丝。预应力筋张拉过程中出现滑丝或断丝，必须更换重新张拉。由于出现滑丝或断丝，将影响或改变构件的受力状态，要防止预应力筋在张拉时滑丝、断丝。首先要保证材料（钢筋和锚夹具）质量合格，其次在张拉过程中严格控制张拉力，按规程操作，操作人员要精力集中、认真观察压力表和油泵的工作情况，做到实时监控并处置。

2.4.2 台座倾覆或滑移。预应力台座构造为传力墩、台座板、台面共同受力，若台座板与台面施工不当，板面标高不在同一标高，易出现台座倾覆或滑移，造成预应力值骤降损失或消失。为了防止造成预应力值损失，在进行第一次预应力张拉施工后，须连续多次监测检查预应力值，若出现预应力损失、骤降，则需加固台座。

2.4.3 锚具与油压表须配套校验、配套使用，不得过期未标定或随意组合混搭。

3 预应力拱形屋面预制板的吊装

3.1 场地配套设施要求

3.1.1 根据工程拱板各参数采用150T汽车吊，汽车吊自重约70T，场地道路需满足行驶要求。

3.1.2 吊装位置附近应设置临时堆放屋面拱板的场地，场地需平整、压实，砌筑好安放拱板的支墩，便于屋面拱板的堆放。

3.1.3 拱板堆放时必须给汽车吊留好位置，保证汽车吊能展开工作。根据工作内容和进度要求进行主要施工机械配备，汽车吊1部、直流电焊机（AX-300功率12KVA）2台、吊装工具、？准22钢丝绳。

3.2 吊机选择及作业顺序考虑

3.2.1 经计算每块屋面板约10.5T，拱形屋面板安装高度为8.01m，初步判断需150T起重机；查阅吊装手册，当起重机臂长40m、工作半径20m时，150吨汽车起重机可吊12吨，故此款吨位汽车吊满足吊装需求且比较适合。

3.2.2 每幢单层粮仓的拱板预制在仓内分二批预制，每批预应力拱形板从预制到能放张起吊约需35d，根据施工进度计划安排，屋面预应力拱板安装需要在屋面圈梁浇筑完毕后进行，即主体结构施工60d后方可进行屋面拱形板安装。为此，第一批预制的拱形屋面板在平房粮仓纵向外墙外侧就地搁置平放，无需吊运装车，减少了吊运时间与费用，且避免了运输过程中的潜在安全性危险。第二批预应力拱形板待放张起吊时，直接起吊安装就位。

3.2.3 第一批拱板从仓内吊运到仓外的堆置场地，需砌筑好地垄墙并用高标号水泥砂浆找平或在坚实的基土上设垫木，以保证拱板搁置后板底水平度符合要求。

3.2.4 为减少各单体转运堆放预制拱板所需占用的场地，各单体吊运拱板时在两端头均先行安装8块屋面拱板，其余屋面拱板等第二批拱板预制完成后一次性吊装就位。

3.2.5 为保证拱板与外山墙或内山墙圈梁、标高+8.01处屋面圈梁的连结，主体结构施工时，标高+8.01处屋面圈梁在内外山墙位置预留2000mm宽的空档，待拱板安装就位后，将拱板上下弦预留筋锚入山墙圈梁模板内浇灌砼；为便于内山墙体施工，屋面拱形板安装时，在每一内墙两侧各3m范围内拱形板暂不安装，等内山砌体、钢筋、砼施工完毕后再行安装，以避免内山墙施工吊运材料损坏已安装的拱形板，并提高作业的安全性。

3.3 屋面拱板起吊与安装

3.3.1 拱板运输安装前，应按每150榀随机抽样一榀进行施加荷载观察等检验。检验方法采用荷重块均布加荷方法。即恒荷全跨均布，活荷全跨或半跨均布，当达到设计荷载的120%（即检验时的超载系数为1.2）时，可终止加荷。观察：拱板在加荷状态下的起拱值与自重下的起拱值变化；加荷状态下拱板的挠度、裂缝等变化，设计荷载作用下跨中挠度值为不得大于20mm；在半跨均布荷载作用下，板的裂缝弯曲等变化情况。符合设计及规范要求再行运输和吊装。

3.3.2 起吊和运输前混凝土须达到设计强度，起吊和运输时必须保持拱板平稳，勿使构件受扭或倾斜，速度应平缓。

3.3.3 拱板中斜拉筋在拱板吊装、运输前与节点处预埋短筋焊牢。焊接前应将上下弦预埋设的钢筋外露端调直并与斜拉筋的轴线同向。先焊好一端，此时钢筋在焊接中受热伸长紧接着焊另一端。不得采用两端同时焊接斜拉筋。斜拉筋的焊缝长度为Lw>120mm，焊缝高度为hf=6mm。

3.3.4 屋面拱板吊装采用粮仓外单吊机4索等长法。地面设3人扣绑两端部及中间吊点钢丝绳、吊带；上面设4人，1人指挥、3人解脱两端及中间吊点处的钢丝绳、吊带。

3.3.5 使用4根等长吊索，分别绑扎在拱板两端的四个吊扣上，在汽车吊的吊钩处采用多绳单头挂法。为防止拱板吊装过程中产生翻倒现象，在拱板上弦中部设一吊带绑扎点，用吊索与吊带相连（吊带捆绑住拱板中间）另一头挂在吊钩上，让此吊索处于拉紧但不受力状态，只在拱板出现倾倒时起到牵扯扶正作用。

3.3.6 吊运安装时设专人指挥，先将拱板缓慢吊起离地面50cm左右，检查吊索受力情况及拱板的稳定性，当满足要求时再缓慢起吊，通过拱板两端的缆风绳稳定拱板，当拱板起吊高度高出屋面沿沟及外脚手架高度时，由地面人员用缆风绳将拱板拉转调整方向，吊臂慢慢转动，由上方人员稳住拱板，并通过起重臂的转动及缆风绳的作用使拱板缓缓就位，将拱板支座处的预埋件与顶层圈梁上的预埋件焊接，每榀拱板的一端为满焊，另一端为点焊，相邻拱板的满点焊端部交叉设置，焊缝高度为hf=5mm。

3.4 板缝处理

吊装结束后，按设计要求将拱板与圈梁、拱板与拱板间埋件焊接，并在上下弦、板缝中用C20细石膨胀混凝土混凝土密实灌缝，在缝隙上10mm厚灌聚氨脂密封膏，保证仓库空间的密封性。拱扳纵向每10m左右的一道上下弦板缝采用柔性材料嵌缝代替混凝土灌缝，材料按图设采用耐火等级B1的聚苯板，以应对温度因素变形。

4 屋面板预制及吊装作业效果分析

根据“原位现浇”改为“预制吊装”的变更，施工单位调整修改了施工组织设计及主要专项方案，根据“预制吊装”的工序特点及工期计划，充分做好紧前工作、对紧后工序作预前准备。2015年5月22日开始浇筑，计划每天浇筑8块，831块拱板于9月10日预制完成，至10月底起吊安装全部完成，达到预定目标。“预制吊装”相比原设计的“原位现浇”主要取得如下良好成效。

（1）避免高支模施工、解决了高处预应力先张拉底板台座设置困难的难题，极大地提高了安全性。

（2）虽然拱板上下弦板较薄（尤其是圆弧上弦板），地面预制钢筋保护层控制较好且很好地保证了钢筋砼成型质量。

（3）可与主体结构施工平行流水作业，免去了搭拆脚手、模板的时间，采用机械化吊装，明显缩短工期，达2个半月。

（4）不需搭设、拆除满堂脚手架、高支模，仅需预制用的16套模板且周转使用，大大节省了钢管扣件木方模板的购买或租赁费用，且节约了较多人工，实际成本经测算比原方案节省23%，经济性显著。