大面积复杂预应力混凝土梁施工技术

丁传奇，赵 晨，王 凯

（北京建工集团有限责任公司，北京 100055）

预应力混凝土结构以能够有效抵抗大跨度和重荷载作用下产生的裂缝，提高结构整体安全而在高层建筑的大跨度和承受重荷载区域应用越来越普遍，其施工的质量直接关系到高层建筑主体结构安全［1］。通过分析预应力混凝土梁施工工艺过程，研究并应用提升混凝土的施工质量的技术措施，保证预应力混凝土梁结构的实体结构质量，对提升主体结构的整体安全性具有重要意义。

中国人民大学教学科研楼等 4 项东南区综合楼（教学科研楼）、集体宿舍楼（留学生宿舍楼）项目位于中国人民大学校园内，建筑平面为 L 型布局，总建筑面积 102 590 m2（地下建筑面积 24 413 m2），建筑物最高点 80.7 m，地下 3 层相互贯通，其中教学科研楼地上 18 层（局部 13 层），集体宿舍楼地上 19 层（局部 15 层）。教学科研楼主体结构为框架—核心筒结构，集体宿舍楼主体结构为框架—剪力墙结构，其中主体结构中存在大量的预应力混凝土结构和劲性钢结构，其中最具有代表性的是位于教学科研楼 -1 层的大面积复杂预应力混凝土梁。

2.1 预应力梁设计情况

教学科研楼的 -1 层中，为承载地面上的大面积下凹式绿地面和市政道路，设计成大面积复杂预应力混凝土梁区，如图 1 所示（画框区域）。梁区面积合计约 1 002 m2，混凝土强度等级 C40，包括 16 根净跨度为 16.8 m 长的预应力混凝土梁，混凝土梁规格尺寸为 700 mm×1 300 mm。预应力筋采用有粘结预应力筋，穿 2 孔，每孔 7 根直径 15.2 mm 的预应力钢绞线，预应力筋孔道采用壁厚 0.3 mm 的内径 70 mm 的镀锌波纹管。

图1 预应力梁 BIM 效果图

2.2 施工技术重难点

预应力梁所在位置，决定施工过程中具有明显的技术难点，主要包括以下各方面。

1）预应力混凝土梁主要承载地面上的下凹式绿地种植土和部分市政道路。其中下凹式绿地为 2.02 m 高的覆土（局部 1.5 m），为重荷载集中区域；
市政道路位置下预应力梁顶至地面完成面高度 1 000 mm（450 mm 厚回填土和 550 mm 厚道路做法），承载车辆荷载对预应力混凝土梁结构的安全性提出更高的要求。

2）最高质量目标为“国家优质工程奖”。大面积的预应力混凝土梁，必须严格控制此区域内混凝土梁的整体外观质量要求。保证混凝土梁柱节点清晰、内坚外美，为创国家优质工程奖创造质量亮点。

3）700 mm×1 300 mm 规格的预应力混凝土梁高宽比1.8，高宽比很大且整体较深，上部受力主筋为 1 排 7 根32 规格的三级钢；
下部为 3 排 25 根 32 规格的三级钢，自底部而上依次 10 根、10 根和 5 根排布，且有两排预应力孔道穿入梁体内。钢筋下部整体排布密集，振捣棒伸至底部困难且非自密实混凝土流动性较差，底部混凝土振捣不易密实。同时振捣棒强制伸至梁底部时，易损坏镀锌波纹管孔道而造成混凝土流入波纹管内影响预应力张拉的施工质量。

4）大面积预应力梁区域为超限梁集中区域，超限模板支撑体系的面积大且安全性要求极高，大体量预应力梁混凝土浇筑时间长，必须严格控制模板安装质量和混凝土浇筑过程，确保此区域混凝土整体施工质量。

3.1 施工工艺流程

预应力混凝土梁施工的主要工艺流程，如图 2 所示。

图2 施工工艺流程

3.2 预应力梁钢筋 BIM 三维深化和预制加工一体化技术

在 revit 软件中以 CAD 原设计图纸为底图并依据现行图集，实现钢筋空间三维排布模型的构建［2］，重点控制预应力梁柱节点，钢筋伸入支座的节点位置，钢筋锚固和搭接方式和波纹管位置钢筋空间排布以及振捣引导器的大小与钢筋的相对合理位置。其中预应力梁钢筋 BIM 三维整体深化排布情况，如图 3 所示。

图3 预应力梁区域钢筋 BIM 三维深化

基于 BIM 技术的钢筋三维深化和优化排布，能够三维可视化清晰展示钢筋的三维空间排布位置关系，并导出钢筋的明细清单，由 BIM 技术人员辅助指导作业人员进行工厂精细化加工，实现预应力混凝土梁钢筋三维深化设计和工厂加工一体化的精益建造管理模式［3］。

3.3 超限梁模板定位安装技术

借助预应力梁的 BIM 三维结构模型，核查并校验设计图纸坐标与高程系统，精准获取预应力梁、框架柱、梁中心线及梁的两侧边的关键点位的立体坐标［4］，辅助指导现场施工测量放线，实现预应力梁的底模板精确定位。

3.4 大面积混凝土浇筑引入一种新型振捣引导器施工技术

通过分析大面积预应力混凝土梁的施工技术特点，创新性提出了在预应力混凝土梁内引入一种垂直的振捣引导器，并严格控制浇筑技术要点，有效地解决大面积复杂预应力混凝土深梁构件中振捣棒难以深至底部，导致混凝土梁底部浇筑质量难以保证的技术难题［5］。

3.4.1 振捣引导器深化和预制加工一体化

应用一种振捣引导器辅助振捣棒完成预应力梁混凝土浇筑是一项自主创新技术。通过应用 BIM 的三维可视化技术，针对 700 mm×1 300 mm 规格预应力混凝土梁，模拟引导器与振捣棒之间的规格大小匹配关系，将振捣引导器深化设计成每根引导器由 6 根竖向钢丝和直径100 mm 的钢圈构成，竖向钢丝通过点焊与外围钢圈牢固连接，外围钢圈直径 80 mm，钢圈间距 150 mm，振捣引导器长度深化设计成 1 250 mm，深化效果如图 4 所示。

图4 振捣引导器 BIM 三维深化及现场成品（单位：mm）

基于 BIM 三维深化模型，导出振捣引导器材料加工明细清单，如表 1 所示，并由 BIM 管理人员进行详细加工技术交底，辅助指导加工作业人员进行工厂预制加工。

表1 振捣引导器加工清单明细

3.4.2 钢筋安装与振捣引导器穿插施工技术

通过预先与设计沟通并经设计受力核算，将预应力梁位于中间位置的上部一排 3 根及下部三排 3 根的受力主筋钢筋净距调整为 100 mm，能够有效顺利地实现直径 80 mm 振捣引导器顺利放置预应力梁体内，而避免钢筋穿插造成振捣引导器产生破坏，振捣引导器起步在距离框架柱边 200 mm，中间按照每隔 1 m 的“之”字形布置，如图 5 梁上部振捣引导器布置示意图（黑色区域为钢筋，阴影区为孔道波纹管，圆圈为振捣引导器）。

图5 振捣引导器“之”字形布置

振捣引导器在预应力梁体内安装顺序，实行两阶段固定。其中第一阶段：预应力受力主筋固定完成后，先临时固定在受力主筋上；
第二阶段：箍筋和受扭钢筋安装过程中，再与箍筋完全固定。主要施工要点如下。

1）在预应力梁所有的受力主筋，依据 BIM 三维深化图安装完成后，将振捣引导器使用扎丝临时固定在受力主筋上。

2）受力主筋位置的箍筋安装时，首先按照 BIM 三维钢筋深化模型排布，绑扎固定振捣引导器，再将侧面抗扭钢筋安装，实现振捣引导器与钢筋穿插作业。

3）预先按照预应力筋深化排布图，布置孔道波纹管，特别是在波纹管穿框架柱与梁钢筋密集区，依据 BIM 深化图中波纹管预留位置和空间要求，使波纹管在预应力梁保持顺直，如图 6 所示。

图6 梁底部三排纵向主筋和波纹管安装效果

4）波纹管安装时，应严格要求并检查其位置准确。高度方向与定位架立筋绑扎牢固，保证其线性流畅，无弯折损坏现象。对于损坏的部位进行切除并缠紧修复或者更换波纹管。

5）穿钢绞线时由锚固端向张拉端依次穿入并在穿入波纹管的过程中不断调顺，防止预应力筋发生扭绞。

6）现场安装过程中，当箍筋与振捣引导器的位置相互冲突时，优先考虑保证箍筋的位置准确，微调整振捣引导器，同时对振捣引导器出现不垂直、损坏的现象，调引导器至上下顺直或者重新更换。

7）预应力梁两侧模板安装之前，必须按照深化设计图纸检查验收预应力孔道曲线矢高，普通钢筋及振捣引导器位置，全部满足要求后方可安装两侧模板。

8）波纹管预留排水排气孔，孔口导出管与波纹管连贯位置缠绕密实，最终导出管高于预应力梁顶面 300 mm，灌浆孔和排气孔位置根据 BIM 三维深化图安装并做好临时保护（见图 7）。

图7 预应力梁钢筋整体安装效果

9） 对于承压板、锚板周围的混凝土应加强振捣，严禁漏振，避免出现蜂窝或孔洞。在浇筑混凝土时，专人跟踪，做好成品监督和保护。

3.4.3 大面积混凝土浇筑施工技术

预应力混凝土梁所在区域为超限梁区域，必须依据审批完成的超限高大模板支撑加固安全专项施工方案，完成模板支撑和加固体系后，经验收通过后，方可浇筑混凝土。

借助 BIM 可视化的特性，对混凝土浇筑顺序和施工操作要点进行动态化模拟演示，特别是对预应力梁和框架梁相交部位钢筋、波纹管矢高布置图，振捣引导器所在位置的浇筑顺序进行详细地模拟分析并明确预应力混凝土浇筑，有效实现预应力梁区域超限梁支撑体系受力相对均衡。借助 BIM 三维模型，进行三维可视化混凝土浇筑技术交底，提高浇筑作业人员的操作能力。施工要点如下。

1）施工前，进场拌合物的坍落度和扩展度，经检验合格后，方可浇筑。

2）浇筑前，注意预应力张拉端进行覆盖保护并做好标识，避免混凝土浇筑造成破坏，并在振捣过程中，对于张拉端垫板后混凝土必须振捣密实以防后期预应力张拉时发生端部混凝土出现开裂现象。

3）按照浇筑方案划分 I、II、III 标段，每标段分三层从中心向两侧对称依次浇筑、振捣，确保振捣到位。

4）浇筑时，将振动棒插入预先安装好的振捣引导器内，采取快插慢拔的原则，充分振捣，实现预应力梁底部混凝土振捣密实。

5）加强对预应力混凝土梁的薄膜养护，防止张拉前出现早期收缩裂缝。

通过对大面积复杂预应力混凝土梁施工过程进行应用总结，并创新性地应用一种振捣引导器在预应力混凝土梁区内的施工技术，有效地解决了大面积复杂预应力梁区域混凝土施工中，梁底部因钢筋和波纹管密集排布而施工质量难以有效得到保证的难题，为有效地降低预应力混凝土在抵抗重荷载和大跨度结构等效应而产生的裂缝提供技术保证，在超深预应力混凝土梁结构浇筑过程中可作为一项大力推广应用的创新技术。Q