大跨度预应力混凝土框架结构施工变形特征研究

王丹涛 WANG Dan-tao；
田佳岐 TIAN Jia-qi

（①中铁一局集团建筑安装工程有限公司，西安 710054；
②宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021）

预应力混凝土因其节省材料、自重轻、刚度大、变形小等优点，近年来被广泛应用于大跨度钢筋混凝土建筑结构[1]。

根据预应力混凝土浇筑与张拉顺序的不同，可以将预应力混凝土施工方法大致分为“逐层浇筑，逐层张拉”、“多层浇筑，顺向张拉”和“多层浇筑，逆向张拉”[2]。对于同一结构，施工方案的不同会引起不同的施工荷载，不仅造成结构内力与变形的差异，还可能影响施工安全性。围绕不同施工方案对预应力混凝土结构造成的施工荷载差异，国内学者做了大量研究工作。潘珉[3]以实际工程为案例，通过对比连廊与主楼施工顺序所引起的结构响应差异，提出采取“先施工主楼，后施工连廊”的施工顺序，从而实现了缩短施工工期，降低成本的目的。王立波，张羽[4]通过数值模拟方法，对比分析了不同张拉顺序对结构边梁的效应，提出了预应力混凝土最优张拉方案。杨玮，潘寒等[5]通过对比分析4种不同施工方案条件下结构内力与变形特点及预应力损失等参数，提出采用“数层灌浆，逐层张拉”方案效果更优。

合理的施工方案不仅是确保施工安全的前提和保障，还是实现“四节一环保”的重要基础。然而，由于不同工程之间存在显著的差异性，基于某一特定工程取得的已有研究成果难以做到普遍适用和推而广之。对于某些造型独特、构造复杂的建筑结构，十分有必要基于工程特点开展针对性研究。本文以某大跨度预应力混凝土结构为原型，根据工程特点开展基于施工力学原理的数值模拟计算，在模态分析的基础上，对比分析了整体浇筑“顺向张拉”与“逆向张拉”的所引起的结构内力与变形差异，以期为施工方案制定和优化，以及施工变形监测提供理论依据和技术参考。

采用结构分析软件SAP2000，建立某大跨度预应力混凝土框架结构有限元模型，采用“阶段施工方法”模拟预应力张拉过程中结构内力与变形特征。结构为5层框架结构，其中，除首层与第二层层高分别为5.6m和5.1m，其余各层层高均为4.2m。

混凝土强度等级为C40，箍筋和纵筋强度等级均为HRB400。预应力钢筋采用高强低松弛缓粘结钢绞线，设计张拉控制应力为1395MPa；
预应力筋线形采用抛物线布设形式。预应力筋从框梁外侧进行张拉。建模过程中，在定义预应力荷载时，不考虑预应力损失，结构数值模型如图1所示。

图1 模型三维效果图

建筑结构模态分析是采用建筑结构固有特征来描述结构特征和状态的方法，可作为评价结构布置均匀合理与否的重要指标，对于掌握建筑结构动力特性及施工方案优化具有重要参考价值。对此，分析计算了如图2所示的前6阶模态。由图可见，结构前两阶模态基本呈现出两个正交方向的平动姿态，第一阶模态出现局部扭转现象，说明结构刚度与质量分布存在一定的不均匀性，这正是该结构不规则的复杂结构布置所引起，在制定施工方案时应当重点考虑结构不规则所造成的施工变形特殊性。

图2 结构模态

结构各阶模态所对应的自振频率如表1所示。由表1可见结构整体性较好且刚度较大，这一特点将有利于抵御预应力张拉施工过程中所引起的结构变形。

表1 结构各阶自振频率

大型建筑结构由于其施工工艺繁多，结构构造复杂，施工过程中大都存在相对较高的安全风险。除了制定科学合理的施工方案外，准确可靠的施工变形监测技术将最大限度化解施工风险。然而，对于某些结构复杂的特定工程，以往的工程经验难以完全适用，就需要特殊问题特殊应对。在制定施工方案前，采用数值模拟方法对施工过程进行模拟分析，将有助于施工方案制定与优化。通过对本工程进行基于施工力学的预应力张拉过程模拟，得到图3、图4所示的“逆向张拉”与“顺向张拉”过程结构整体变形情况。

图3 逆向张拉过程结构整体变形图

由图可见，两种施工方案结束后，结构最终变形趋势基本一致，结构最大变形量均出现在二层大开间部位，在制定施工方案时应当对该部位予以重点监测。两种方案所引起的结构变形量值存在一定差异，其中，“逆向张拉”方案所引起的60mm最大变形量，“顺向张拉”方案所引起的结构最大变形量为72mm，增幅20%。由此可见，本工程采用“逆向张拉”方案更加有利于控制结构变形。

从图3和图4可以看出，采用自上而下的“逆向张拉”方案时，第五层到第三层出现了相同的变形趋势，但变形量均未超过20mm。与之相比，采用自下而上的“顺向张拉”方案时，结构最大变形位于第二层，在施工过程中出现得相对较早，几乎伴随整个施工过程；
由于该部位是结构变形量最大且需要重点关注的区域，这就导致施工过程中需要进行专门监测，从而造成成本增长。

图4 顺向张拉过程结构整体变形图

为了研究某大跨度预应力混凝土框架结构施工变形特征，采用数值仿真方法对结构进行模态分析和施工过程变形模拟。通过结构模态分析，检验了结构的整体性与刚度的均匀性。施工过程模拟揭示了“顺向张拉”与“逆向张拉”过程中结构不同的施工变形模式，同时确定了结构最大变形区域及最大变形量，为施工方案的制定与优化，以及施工变形监测提供了参考依据。