1、收稿日期: 2004211215.作者簡介:趙挺生(19632),男,副教授;武漢,華中科技大學土木工程與力學學院(430074).基金項目:國家自然科學基金資助項目(50378051);中國博士后科學基金資助項目(2003033159).預應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.華中科技大學土木工程與力學學院,湖北武漢430074; 2.清華大學土木水利學院,北京100084)摘要:施工期間的預應力鋼筋混凝土結構,是時變結構體系,除承受施工荷載外,還承受預應力等效荷載,因缺乏理論支持,其設計施工容易出現問題.本文介紹的某工程實例為預應力鋼筋混凝土結構,且設計有跨后澆帶與不

2、跨后澆帶兩組預應力鋼筋,施工期間后澆帶兩側結構出現過大變形差,影響結構施工安全,通過將后澆帶鋼筋的約束作用簡化為彈性支座,分析對象簡化為彈性支座連續梁,并考慮施工荷載和等效預應力荷載,分析了該工程出現過大變形的原因,結合預應力筋錨固角度等參數分析,給出了留后澆帶預應力鋼筋混凝土結構設計施工的建議.關鍵詞:預應力鋼筋混凝土結構;設計;施工;施工荷載;等效預應力荷載;變形中圖分類號: TU 378文獻標識碼:A文章編號: 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 ,結構平面見圖1.上部結構為現澆鋼 筋混凝土框架

3、結構(主樓為框架剪力墻),主次梁為有粘結后張預應力梁.預應力筋張拉做 法為:混凝土強度達到設計強度的80%后張拉不跨過后澆帶的預應力筋;后澆帶混凝土澆注 并達到強度后,張拉跨后澆帶的預應力筋.標準層施工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應力筋, 30 d后澆注后澆帶處混凝土,后澆帶混凝土達到規 定強度即張拉跨后澆帶預應力筋.梁板模板支撐采用 5483. 5 mm鋼管搭設滿堂架.施工中,發現后澆帶兩側結構變形差較大,此時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.至裙房結構封頂后實測四層A,B軸 線間梁5 YCL2A21a(5)后澆

4、帶兩側結構變形差達87 mm ,樓層下模板支撐傾斜、 變形,影響施工安全 和后澆帶兩側結構的合攏.為此,以第四層軸線A,B間梁5YCL2A21a(5)為對象,對該工程事故發 生的原因進行分析.四層結構局部平面如圖2.后澆帶寬度1. 6m ,設于距軸線東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.梁中設置預應力筋和普 通鋼筋.不跨過后澆帶的預應力筋為4束直徑15. 24 mm ,極限抗拉強度為1 860M Pa的低松弛 預 應力鋼絞線.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混凝土結構示意?mm第22卷第2期2005年6月華中科技大學學報(城市科學版)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2四層結構平面示意2簡化模型模板支架在樓層間連續布置,將上部新澆樓層混凝土重量及施工荷載傳遞到下部 樓層,通過對由模板支架與早齡期混凝土結構組成的

6、臨時承載結構分析,獲得樓層承擔的施 工荷載.模板支架對結構的影響簡化為樓層上的施工荷載處理15.對留后澆帶的預應力混凝土結構,施工期間跨后澆帶的普通鋼筋不截斷,在后澆帶未澆注封閉前,后澆帶兩側的構件因鋼筋存在而相互約束.因此,留后澆帶預應力混凝土結構可以模 擬成彈性支座鋼筋混凝土梁模型(圖3),支座彈性系數k圖3彈性支座梁模型圖4側移排架模型由后澆帶內的鋼筋控制,其對結 構的約束作用,如同等高側移排架(圖4),排架側移剛度即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(側移排架高度);I=ni=nd4?64為鋼筋的轉動慣量,其中,n為鋼筋總根數,i為單根鋼筋的轉

7、動慣量,d為鋼筋直徑.因此, 1?A軸5YCL2A21a連續梁可以簡化為圖5模型,梁上作用荷載包括施工荷載和 預應力鋼筋的等效預應力荷載.圖51?A軸YCL2A21a連續梁簡化模型?m3施工荷載計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,由模板支撐系統和樓層梁板混凝土結構組成的臨時承載結構承擔,該臨時承載結構是結構形狀、 材料性能、 空間 位置、所受荷 載以及構件均隨時間變化的時變結構體系1, 2.傳統分析設計中,樓層梁板的主次 關系是板將荷載傳給梁,在施工時變結構體系中已不存在,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變結構體系中的底層樓板.因此,在梁板柱

8、體系時變結構中,梁、 樓板 可以作為兩個獨立的時變結構體系處理,分別確定梁、 板時變結構體系中梁、 樓板、 模板支 撐或二次支撐承擔的施工荷載及其傳給樓層梁、 板的施工荷載3.施工時變結構體系中梁或樓板承擔的施工荷載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為變結構體系承擔的外荷載,澆注時,F= 1D(D為單位面積樓板自重),拆模時,F為 待拆除支撐承擔的荷載;Li為i樓層混凝土彈性模量相對于28 d混凝土彈性模量的比 值;為時變結構體系中

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為模板支撐設置層數.9第2期趙挺生等:預應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.按施工過程逐步計算,直到計算樓層支架拆除,累加每道工序梁板承擔的施工荷載,獲得計算樓層梁、 板承擔的最大施工荷載.由此獲得5YCL2A21a連續梁上施工荷載(圖6).圖6梁上作用的施工荷載?kNm4有效預應力等效荷載計算有效預應力Npe作用下的等效荷載,包括等效均布荷載和等效集中荷載.對于拋物 線預 應力筋線形,當預

10、應力筋在梁端切線與水平線夾角為 時,有效預應力分解成水平分力為Npecos和豎向分力為Npesin.很小時,取cos= 1 , sin=,NHpe=Npe,NVpe=Npe.梁A端彎矩為M0A=NpeeA,B端為M0B=NpeEB.跨內均布荷載為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.由此計算獲得5YCL2A21a連續梁的有效預應力等效荷載(圖7).圖7有效預應力等效荷載?kNm5變形分析計算獲得1?A軸5YCL2A21a連續梁各截面參數如表1,模型彈簧支座彈簧系數k= 292 kN?m.驗算表明,

11、結構在施工荷載和預應力等效荷載作用下的承載能力均滿足現行規范(表2),與現場檢查結構未開裂結果一致,因此結構變形分析可應用疊加原理分步計算.計算表 明 結構在預應力等效荷載和施工荷載作用下,構件端頭變形分別為26 mm和76 mm ,總變形為10 2 mm(表3).結構變形、 內力如圖8和9.表1材料特性與截面特性參數跨數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構件承

12、載能力驗算結果驗算內容承載力極限荷載效應正截面第四跨梁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3兩種荷載產生的變形分析結果mm施工荷載7674. 5預應力等效荷載2625. 5施工荷載+預應力等效荷載102100施工期間張拉的第一組預應力筋等效荷載產生的變形方向與施工荷載相同,占 總變形的25. 5% ,這與設計該組預應力筋以抵消部分施工荷載控制變形的目的相反,第 一組預應力鋼筋沒有達到控制變形的效果.圖8變形示意圖9施工荷載和預

13、應力等效荷載組合彎矩示意?kNm6影響結構變形因素分析a.預應力鋼筋錨固角.分析表明預應力筋錨固端錨固角度對構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不同錨固角度產生的變形量角度Ny?kNM0?kNm?mm201732145922190211762420620893262222051102823820112730253197143b.后澆帶鋼筋.計算模型采用簡化處理方法,將后澆帶每根鋼筋對其自身的轉動慣 量進行 一次線性迭加計算彈簧系數,即取后澆帶的最小剛度.如k由292 kN?m增大到584 kN?m ,結 構變形將由102 mm減小為77 mm ,可見

14、彈簧系數影響較大.另外,計算中軸線,處主梁 的約束簡化為剛性支座,減小了構件計算變形.01 華中科技大學學報(城市科學版)2005年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.c.設計影響.從圖10, 11可見,構件第四跨在分別遭受施工荷載和預應力等 效荷載作用時,均產生負彎矩.其它三跨內的彎矩圖二者剛好相反.說明前三跨的預應力筋起到抵抗因施工荷 載作用產生的彎矩作用,而第四跨則沒有.圖10施工荷載彎矩示意?kNm圖11預應力等效荷載彎矩示意?kNm在只受預應力等效均布荷載作用時,構件的彎矩圖和

15、只受施工荷載時產生的彎矩圖相反(圖1 2);而構件在只受等效集中荷載時,第四跨內為負彎矩(圖13).將集中等效荷載分解為豎向 力和彎矩進行分析發現,豎向力產生負彎矩,集中彎矩產生正彎矩.圖12預應力等效均布荷載彎矩示意?kNm圖13預應力等效集中荷載彎矩示意?kNm第四跨預應力筋設計中,雖考慮到構件在施工荷載作用下將產生負彎矩,并在構件下配置了拋物線形預應力筋以抵抗負彎矩.由于錨固角度大而產生的向下豎向等效集中荷載抵消了向 上等效均布荷載產生的正彎矩,而且增大了第四跨的負彎矩,增大構件變形.d.施工方法影響.進程分析表明,樓層施工到第五層,即第四層未跨過后 澆帶預應力筋張拉、第三層后澆帶封閉時

16、,第四跨梁端頭變形值為56mm.此時,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,變形應減小.因此,導致第四層 變形增大的合理解釋是第三層支撐剛度不夠,導致施工到頂層時,第四層變形量積累到102 mm.7結論與建議a.建議了留后澆帶預應力混凝土結構施工短暫狀況彈性支座梁模型,并給出 了彈簧系數的計算公式.b.留后澆帶預應力混凝土結構上的荷載包括預應力等效荷載和施工荷載,可以分開計算確定.c.錨固于板面后澆帶封閉前張拉的預應力鋼筋(第一組預應力鋼筋),錨固角度對梁端變形 影響較大.d.當第一組預應力鋼筋錨固于板面時,錨固角盡可能小,并在施工組織設計時,對后澆帶兩側的支撐適當加

17、強.e.當第一組預應力鋼筋錨固于板底時,應采用大錨固角,后澆帶兩側的支撐不應加強.參考文獻1劉西拉.結構工程學科的現狀與展望M .北京:人民交通出版社, 1997.2王光遠.論時變結構力學J .土木工程學報, 2000,33(6): 1052108.3趙挺生,方東平,顧祥林,等.施工期現澆鋼筋混凝土結構的受力特性J .工程力 學, 2004, 21(2): 62268.4趙挺生.高層建筑混凝土結構施工階段安全性分析D .上海:同濟大學土木工程學 院, 2002.5趙挺生,趙偉,顧祥林,等.高層混凝土結構施工階段安全性分析的簡化模型J .建筑結構, 2002,32(3): 10212.6趙挺生,

18、顧祥林,張譽.梁板柱體系混凝土建筑施工時變結構體系簡化計算J .建筑結構, 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 concretebuildi

19、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.現代預應力設計M .北京:中國建筑工業出版社, 1 998.11第2期趙挺生等:預應力混凝

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 Civil

21、 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 usu

22、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 p

23、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;c

25、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 areas

26、 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 regular

27、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 華中科技大學學報(城市科學版)2005年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.