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1、收稿日期: 2004211215.作者簡介:趙挺生(19632),男,副教授;武漢,華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院(430074).基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50378051);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2003033159).預(yù)應(yīng)力混凝土建筑施工事故案例分析趙挺生1潘先軼2方東平2(1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖北武漢430074; 2.清華大學(xué)土木水利學(xué)院,北京100084)摘要:施工期間的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),是時(shí)變結(jié)構(gòu)體系,除承受施工荷載外,還承受預(yù)應(yīng)力等效荷載,因缺乏理論支持,其設(shè)計(jì)施工容易出現(xiàn)問題.本文介紹的某工程實(shí)例為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),且設(shè)計(jì)有跨后澆帶與不2、跨后澆帶兩組預(yù)應(yīng)力鋼筋,施工期間后澆帶兩側(cè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大變形差,影響結(jié)構(gòu)施工安全,通過將后澆帶鋼筋的約束作用簡化為彈性支座,分析對(duì)象簡化為彈性支座連續(xù)梁,并考慮施工荷載和等效預(yù)應(yīng)力荷載,分析了該工程出現(xiàn)過大變形的原因,結(jié)合預(yù)應(yīng)力筋錨固角度等參數(shù)分析,給出了留后澆帶預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的建議.關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);施工;施工荷載;等效預(yù)應(yīng)力荷載;變形中圖分類號(hào): TU 378文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào): 167227037(2005)02200082051工程概況某工程地上裙房7層,高43. 8 m ,主樓19層,高79. 8 m ,結(jié)構(gòu)平面見圖1.上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼 筋混凝土框架3、結(jié)構(gòu)(主樓為框架剪力墻),主次梁為有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力梁.預(yù)應(yīng)力筋張拉做 法為:混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后張拉不跨過后澆帶的預(yù)應(yīng)力筋;后澆帶混凝土澆注 并達(dá)到強(qiáng)度后,張拉跨后澆帶的預(yù)應(yīng)力筋.標(biāo)準(zhǔn)層施工15 d一層, 15 d后澆注下一層,并張 拉前一層不跨后澆帶的預(yù)應(yīng)力筋, 30 d后澆注后澆帶處混凝土,后澆帶混凝土達(dá)到規(guī) 定強(qiáng)度即張拉跨后澆帶預(yù)應(yīng)力筋.梁板模板支撐采用 5483. 5 mm鋼管搭設(shè)滿堂架.施工中,發(fā)現(xiàn)后澆帶兩側(cè)結(jié)構(gòu)變形差較大,此時(shí)主樓后澆帶已封閉到第三層,其它各層未封閉.除第一層外,其它樓層支架都未拆除.至裙房結(jié)構(gòu)封頂后實(shí)測四層A,B軸 線間梁5 YCL2A21a(5)后澆4、帶兩側(cè)結(jié)構(gòu)變形差達(dá)87 mm ,樓層下模板支撐傾斜、 變形,影響施工安全 和后澆帶兩側(cè)結(jié)構(gòu)的合攏.為此,以第四層軸線A,B間梁5YCL2A21a(5)為對(duì)象,對(duì)該工程事故發(fā) 生的原因進(jìn)行分析.四層結(jié)構(gòu)局部平面如圖2.后澆帶寬度1. 6m ,設(shè)于距軸線東3. 6 m處.板厚120 mm , C40混凝 土,梁斷面為300 mm450 mm , 600 mm450 mm及600 mm900 mm.梁中設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋和普 通鋼筋.不跨過后澆帶的預(yù)應(yīng)力筋為4束直徑15. 24 mm ,極限抗拉強(qiáng)度為1 860M Pa的低松弛 預(yù) 應(yīng)力鋼絞線.張拉端采用QM - 4型夾片式錨具.孔道成型方式為預(yù)埋波紋管.5、第一、 二跨梁上下 均配4525鋼筋;第三跨中部下配8525鋼筋;第四跨上配10525,下配16525鋼筋.圖1混凝土結(jié)構(gòu)示意?mm第22卷第2期2005年6月華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)J. of HU ST.(U rban Science Edition)Vol . 22 No. 2Jun. 2005 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.圖2四層結(jié)構(gòu)平面示意2簡化模型模板支架在樓層間連續(xù)布置,將上部新澆樓層混凝土重量及施工荷載傳遞到下部 樓層,通過對(duì)由模板支架與早齡期混凝土結(jié)構(gòu)組成的6、臨時(shí)承載結(jié)構(gòu)分析,獲得樓層承擔(dān)的施 工荷載.模板支架對(duì)結(jié)構(gòu)的影響簡化為樓層上的施工荷載處理15.對(duì)留后澆帶的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),施工期間跨后澆帶的普通鋼筋不截?cái)?在后澆帶未澆注封閉前,后澆帶兩側(cè)的構(gòu)件因鋼筋存在而相互約束.因此,留后澆帶預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)可以模 擬成彈性支座鋼筋混凝土梁模型(圖3),支座彈性系數(shù)k圖3彈性支座梁模型圖4側(cè)移排架模型由后澆帶內(nèi)的鋼筋控制,其對(duì)結(jié) 構(gòu)的約束作用,如同等高側(cè)移排架(圖4),排架側(cè)移剛度即k為k= 12E I?l3,(1)式中,E為鋼筋的彈性模量;l為后澆帶的寬度(側(cè)移排架高度);I=ni=nd4?64為鋼筋的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,其中,n為鋼筋總根數(shù),i為單根鋼筋的轉(zhuǎn)7、動(dòng)慣量,d為鋼筋直徑.因此, 1?A軸5YCL2A21a連續(xù)梁可以簡化為圖5模型,梁上作用荷載包括施工荷載和 預(yù)應(yīng)力鋼筋的等效預(yù)應(yīng)力荷載.圖51?A軸YCL2A21a連續(xù)梁簡化模型?m3施工荷載計(jì)算梁板柱體系混凝土施工期間,新澆筑樓層混凝土自重荷載和施工荷載,由模板支撐系統(tǒng)和樓層梁板混凝土結(jié)構(gòu)組成的臨時(shí)承載結(jié)構(gòu)承擔(dān),該臨時(shí)承載結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)形狀、 材料性能、 空間 位置、所受荷 載以及構(gòu)件均隨時(shí)間變化的時(shí)變結(jié)構(gòu)體系1, 2.傳統(tǒng)分析設(shè)計(jì)中,樓層梁板的主次 關(guān)系是板將荷載傳給梁,在施工時(shí)變結(jié)構(gòu)體系中已不存在,板上的荷載直接由模板支撐,模板支撐 再將荷載傳給施工時(shí)變結(jié)構(gòu)體系中的底層樓板.因此,在梁板柱8、體系時(shí)變結(jié)構(gòu)中,梁、 樓板 可以作為兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)變結(jié)構(gòu)體系處理,分別確定梁、 板時(shí)變結(jié)構(gòu)體系中梁、 樓板、 模板支 撐或二次支撐承擔(dān)的施工荷載及其傳給樓層梁、 板的施工荷載3.施工時(shí)變結(jié)構(gòu)體系中梁或樓板承擔(dān)的施工荷載Fi為79Fi+ 1Fi=Li+ 1Li1 +Li1 +1F(i,i-1)+1F(i,i-1)F(2, 1)=F(i+ 1,i)(i= 1, 2,N);(2)N+ 1i= 1Fi=F,(3)式中,F為變結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)的外荷載,澆注時(shí),F= 1D(D為單位面積樓板自重),拆模時(shí),F為 待拆除支撐承擔(dān)的荷載;Li為i樓層混凝土彈性模量相對(duì)于28 d混凝土彈性模量的比 值;為時(shí)變結(jié)構(gòu)體系中9、,成熟混凝土梁、 板的豎向變形剛度與模板支撐的豎向變形剛度之 比;N為模板支撐設(shè)置層數(shù).9第2期趙挺生等:預(yù)應(yīng)力混凝土建筑施工事故案例分析 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.按施工過程逐步計(jì)算,直到計(jì)算樓層支架拆除,累加每道工序梁板承擔(dān)的施工荷載,獲得計(jì)算樓層梁、 板承擔(dān)的最大施工荷載.由此獲得5YCL2A21a連續(xù)梁上施工荷載(圖6).圖6梁上作用的施工荷載?kNm4有效預(yù)應(yīng)力等效荷載計(jì)算有效預(yù)應(yīng)力Npe作用下的等效荷載,包括等效均布荷載和等效集中荷載.對(duì)于拋物 線預(yù) 應(yīng)力筋線形,當(dāng)預(yù)10、應(yīng)力筋在梁端切線與水平線夾角為 時(shí),有效預(yù)應(yīng)力分解成水平分力為Npecos和豎向分力為Npesin.很小時(shí),取cos= 1 , sin=,NHpe=Npe,NVpe=Npe.梁A端彎矩為M0A=NpeeA,B端為M0B=NpeEB.跨內(nèi)均布荷載為10q3= 8Npee30?l2,(4)式中,e30= (eA+eB)?2+em,eA為A端偏心距,eB為B端偏心距;em為跨中偏心距.由此計(jì)算獲得5YCL2A21a連續(xù)梁的有效預(yù)應(yīng)力等效荷載(圖7).圖7有效預(yù)應(yīng)力等效荷載?kNm5變形分析計(jì)算獲得1?A軸5YCL2A21a連續(xù)梁各截面參數(shù)如表1,模型彈簧支座彈簧系數(shù)k= 292 kN?m.驗(yàn)算表明,11、結(jié)構(gòu)在施工荷載和預(yù)應(yīng)力等效荷載作用下的承載能力均滿足現(xiàn)行規(guī)范(表2),與現(xiàn)場檢查結(jié)構(gòu)未開裂結(jié)果一致,因此結(jié)構(gòu)變形分析可應(yīng)用疊加原理分步計(jì)算.計(jì)算表 明 結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力等效荷載和施工荷載作用下,構(gòu)件端頭變形分別為26 mm和76 mm ,總變形為10 2 mm(表3).結(jié)構(gòu)變形、 內(nèi)力如圖8和9.表1材料特性與截面特性參數(shù)跨數(shù)I?mm4A?mm2E I?kNm- 2EA?kN一、 二5. 171094. 35105168 02514 137 500三8. 511095. 34105276 57517 355 000四52. 741096. 721051 714 05021 840 000表2構(gòu)件承12、載能力驗(yàn)算結(jié)果驗(yàn)算內(nèi)容承載力極限荷載效應(yīng)正截面第四跨梁2 014 kNm724 kNm第三跨梁1 142 kNm181 kNm斜截面第四跨梁1 630 kN194. 66 kN第三跨梁787 kN138. 41 kN局部承壓錨固端1 075 kN506 kN表3兩種荷載產(chǎn)生的變形分析結(jié)果mm施工荷載7674. 5預(yù)應(yīng)力等效荷載2625. 5施工荷載+預(yù)應(yīng)力等效荷載102100施工期間張拉的第一組預(yù)應(yīng)力筋等效荷載產(chǎn)生的變形方向與施工荷載相同,占 總變形的25. 5% ,這與設(shè)計(jì)該組預(yù)應(yīng)力筋以抵消部分施工荷載控制變形的目的相反,第 一組預(yù)應(yīng)力鋼筋沒有達(dá)到控制變形的效果.圖8變形示意圖9施工荷載和預(yù)13、應(yīng)力等效荷載組合彎矩示意?kNm6影響結(jié)構(gòu)變形因素分析a.預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固角.分析表明預(yù)應(yīng)力筋錨固端錨固角度對(duì)構(gòu)件端頭變形的影響十 分明顯,錨固角度每增加1,變形增加5%6% (表4).表4不同錨固角度產(chǎn)生的變形量角度Ny?kNM0?kNm?mm201732145922190211762420620893262222051102823820112730253197143b.后澆帶鋼筋.計(jì)算模型采用簡化處理方法,將后澆帶每根鋼筋對(duì)其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量進(jìn)行 一次線性迭加計(jì)算彈簧系數(shù),即取后澆帶的最小剛度.如k由292 kN?m增大到584 kN?m ,結(jié) 構(gòu)變形將由102 mm減小為77 mm ,可見14、彈簧系數(shù)影響較大.另外,計(jì)算中軸線,處主梁 的約束簡化為剛性支座,減小了構(gòu)件計(jì)算變形.01 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)2005年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.c.設(shè)計(jì)影響.從圖10, 11可見,構(gòu)件第四跨在分別遭受施工荷載和預(yù)應(yīng)力等 效荷載作用時(shí),均產(chǎn)生負(fù)彎矩.其它三跨內(nèi)的彎矩圖二者剛好相反.說明前三跨的預(yù)應(yīng)力筋起到抵抗因施工荷 載作用產(chǎn)生的彎矩作用,而第四跨則沒有.圖10施工荷載彎矩示意?kNm圖11預(yù)應(yīng)力等效荷載彎矩示意?kNm在只受預(yù)應(yīng)力等效均布荷載作用時(shí),構(gòu)件的彎矩圖和15、只受施工荷載時(shí)產(chǎn)生的彎矩圖相反(圖1 2);而構(gòu)件在只受等效集中荷載時(shí),第四跨內(nèi)為負(fù)彎矩(圖13).將集中等效荷載分解為豎向 力和彎矩進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),豎向力產(chǎn)生負(fù)彎矩,集中彎矩產(chǎn)生正彎矩.圖12預(yù)應(yīng)力等效均布荷載彎矩示意?kNm圖13預(yù)應(yīng)力等效集中荷載彎矩示意?kNm第四跨預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)中,雖考慮到構(gòu)件在施工荷載作用下將產(chǎn)生負(fù)彎矩,并在構(gòu)件下配置了拋物線形預(yù)應(yīng)力筋以抵抗負(fù)彎矩.由于錨固角度大而產(chǎn)生的向下豎向等效集中荷載抵消了向 上等效均布荷載產(chǎn)生的正彎矩,而且增大了第四跨的負(fù)彎矩,增大構(gòu)件變形.d.施工方法影響.進(jìn)程分析表明,樓層施工到第五層,即第四層未跨過后 澆帶預(yù)應(yīng)力筋張拉、第三層后澆帶封閉時(shí)16、,第四跨梁端頭變形值為56mm.此時(shí),一層到三層 后澆帶已封閉,且支撐未拆除,一層到三層樓板剛度增加,變形應(yīng)減小.因此,導(dǎo)致第四層 變形增大的合理解釋是第三層支撐剛度不夠,導(dǎo)致施工到頂層時(shí),第四層變形量積累到102 mm.7結(jié)論與建議a.建議了留后澆帶預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工短暫狀況彈性支座梁模型,并給出 了彈簧系數(shù)的計(jì)算公式.b.留后澆帶預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)上的荷載包括預(yù)應(yīng)力等效荷載和施工荷載,可以分開計(jì)算確定.c.錨固于板面后澆帶封閉前張拉的預(yù)應(yīng)力鋼筋(第一組預(yù)應(yīng)力鋼筋),錨固角度對(duì)梁端變形 影響較大.d.當(dāng)?shù)谝唤M預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固于板面時(shí),錨固角盡可能小,并在施工組織設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)后澆帶兩側(cè)的支撐適當(dāng)加17、強(qiáng).e.當(dāng)?shù)谝唤M預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固于板底時(shí),應(yīng)采用大錨固角,后澆帶兩側(cè)的支撐不應(yīng)加強(qiáng).參考文獻(xiàn)1劉西拉.結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的現(xiàn)狀與展望M .北京:人民交通出版社, 1997.2王光遠(yuǎn).論時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)J .土木工程學(xué)報(bào), 2000,33(6): 1052108.3趙挺生,方東平,顧祥林,等.施工期現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力特性J .工程力 學(xué), 2004, 21(2): 62268.4趙挺生.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)施工階段安全性分析D .上海:同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué) 院, 2002.5趙挺生,趙偉,顧祥林,等.高層混凝土結(jié)構(gòu)施工階段安全性分析的簡化模型J .建筑結(jié)構(gòu), 2002,32(3): 10212.6趙挺生,18、顧祥林,張譽(yù).梁板柱體系混凝土建筑施工時(shí)變結(jié)構(gòu)體系簡化計(jì)算J .建筑結(jié)構(gòu), 2003, 33(8): 25227.7Grundy P, Kabaila A. Construction loads on slabsw ith shored formwork in multistory buildingsJ .AC IJournal, 1963, 60(12): 1 72921 738.8Fang Dong2ping, Geng Chuan2dong, Zhu Hong2yi,et al . Floor load distribu tion in reinforced concretebuildi19、ngs during constructionJ . AC I, Journal ofStructure, 2001, 98(2): 1492156.9Duan M ing2zhu, Chen W ai2fah.I mproved si mpli2fied method for slab and shore load analysis duringconstructionR .Project report: CE2STR295224,P urdue U niversity, 1995.10呂志濤,孟少平.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)M .北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1 998.11第2期趙挺生等:預(yù)應(yīng)力混凝20、土建筑施工事故案例分析 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.Accident Analysis of Prestressed Reinforced Concrete StructuresDuring ConstructionZH A O T ing2sheng1PA N X ian2y i2FA N G D ong2p ing2(1.School of Civil Eng.&M echanics, HU ST, W uhan 430074, China;2. School of Civil21、 Eng. , T singhua U niv. , Beijing 100084, China)Abstract:The prestressed reinforced concrete structure during construction is a ti me2dep endentstructural system.The loads acting on the structure include con struction load and prestressedequivalent loads.Because of lacking of theory,t he errors usu22、ally appear in the design andconstruction of the structure.For ex ample, one real engineering is a prestressed reinforced concretestructure, and two sets of prestressed steel bar are designed, one comes through the strip of p ostpouring concrete and the other dont, moreover abnormal deformation is p23、rodu ced in construction ofthe structure. Therefore a continuum beam w ith elastic se at com ing from the restrict of steel bar in astrip of post pouring concrete is proposed,considering the construction loads and prestressedequivalent loads, f urthermore causes of abnormal deformation are analyzed.24、 The parameters of anchor angle of prestressed steel bar and stiffness of elastic seat, etc. are studie d, then the suggestions fordesign and construction of prestressed concrete str uctures w ith a strip of post pouring concrete aregiven.Key words:prestressed reinforced concrete structures;design;c25、onstruction;construction load;prestressed equivalent loads; defl ection(上接第4頁)3-D AnalyticalM ethod Used to Calculate Shield Tunneling Induced SoilD isplacem entsJ IA N G X in2liang1ZH A O Zhi2m in1(1. School of Civil Eng. , T ianjin U niv. , T ianjin 300072, China)Abstract: Tunneling in urban areas26、 causes the movement of the soil around the tunnel, so e sti matingpotential soilmovement is very i mportant to control it and protect ex isted construction foundation andunderground pipeli nes.Soil displacement is induced by ground loss and is affected by injection amount. A ccording to the regular27、ities of 32D distribution of ground loss and inj ection amount, usingi mage method theory, the numerical integrating in 32D anal yzing for ground loss and injection induceddisplacements during tunneling are s tudied.Comparing w iththe observed results of T ianjinunderground railw ay proje ct, it is identified to be dependable.Key words: i mage method; ground loss; injection capacity; spat ial analysis21 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)2005年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.