预应力混凝土建筑施工事故案例分析（5页）.pdf

1、收稿日期: 2004211215.作者简介:赵挺生(19632),男,副教授;武汉,华中科技大学土木工程与力学学院(430074).基金项目:国家自然科学基金资助项目(50378051);中国博士后科学基金资助项目(2003033159).预应力混凝土建筑施工事故案例分析赵挺生1潘先轶2方东平2(1.华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074; 2.清华大学土木水利学院,北京100084)摘要:施工期间的预应力钢筋混凝土结构,是时变结构体系,除承受施工荷载外,还承受预应力等效荷载,因缺乏理论支持,其设计施工容易出现问题.本文介绍的某工程实例为预应力钢筋混凝土结构,且设计有跨后浇带与不

2、跨后浇带两组预应力钢筋,施工期间后浇带两侧结构出现过大变形差,影响结构施工安全,通过将后浇带钢筋的约束作用简化为弹性支座,分析对象简化为弹性支座连续梁,并考虑施工荷载和等效预应力荷载,分析了该工程出现过大变形的原因,结合预应力筋锚固角度等参数分析,给出了留后浇带预应力钢筋混凝土结构设计施工的建议.关键词:预应力钢筋混凝土结构;设计;施工;施工荷载;等效预应力荷载;变形中图分类号: TU 378文献标识码:A文章编号: 167227037(2005)02200082051工程概况某工程地上裙房7层,高43. 8 m ,主楼19层,高79. 8 m ,结构平面见图1.上部结构为现浇钢 筋混凝土框架

3、结构(主楼为框架剪力墙),主次梁为有粘结后张预应力梁.预应力筋张拉做 法为:混凝土强度达到设计强度的80%后张拉不跨过后浇带的预应力筋;后浇带混凝土浇注 并达到强度后,张拉跨后浇带的预应力筋.标准层施工15 d一层, 15 d后浇注下一层,并张 拉前一层不跨后浇带的预应力筋, 30 d后浇注后浇带处混凝土,后浇带混凝土达到规 定强度即张拉跨后浇带预应力筋.梁板模板支撑采用 5483. 5 mm钢管搭设满堂架.施工中,发现后浇带两侧结构变形差较大,此时主楼后浇带已封闭到第三层,其它各层未封闭.除第一层外,其它楼层支架都未拆除.至裙房结构封顶后实测四层A,B轴 线间梁5 YCL2A21a(5)后浇

4、带两侧结构变形差达87 mm ,楼层下模板支撑倾斜、 变形,影响施工安全 和后浇带两侧结构的合拢.为此,以第四层轴线A,B间梁5YCL2A21a(5)为对象,对该工程事故发 生的原因进行分析.四层结构局部平面如图2.后浇带宽度1. 6m ,设于距轴线东3. 6 m处.板厚120 mm , C40混凝 土,梁断面为300 mm450 mm , 600 mm450 mm及600 mm900 mm.梁中设置预应力筋和普 通钢筋.不跨过后浇带的预应力筋为4束直径15. 24 mm ,极限抗拉强度为1 860M Pa的低松弛 预 应力钢绞线.张拉端采用QM - 4型夹片式锚具.孔道成型方式为预埋波纹管.

5、第一、 二跨梁上下 均配4525钢筋;第三跨中部下配8525钢筋;第四跨上配10525,下配16525钢筋.图1混凝土结构示意?mm第22卷第2期2005年6月华中科技大学学报(城市科学版)J. of HU ST.(U rban Science Edition)Vol . 22 No. 2Jun. 2005 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图2四层结构平面示意2简化模型模板支架在楼层间连续布置,将上部新浇楼层混凝土重量及施工荷载传递到下部 楼层,通过对由模板支架与早龄期混凝土结构组成的

6、临时承载结构分析,获得楼层承担的施 工荷载.模板支架对结构的影响简化为楼层上的施工荷载处理15.对留后浇带的预应力混凝土结构,施工期间跨后浇带的普通钢筋不截断,在后浇带未浇注封闭前,后浇带两侧的构件因钢筋存在而相互约束.因此,留后浇带预应力混凝土结构可以模 拟成弹性支座钢筋混凝土梁模型(图3),支座弹性系数k图3弹性支座梁模型图4侧移排架模型由后浇带内的钢筋控制,其对结 构的约束作用,如同等高侧移排架(图4),排架侧移刚度即k为k= 12E I?l3,(1)式中,E为钢筋的弹性模量;l为后浇带的宽度(侧移排架高度);I=ni=nd4?64为钢筋的转动惯量,其中,n为钢筋总根数,i为单根钢筋的转

7、动惯量,d为钢筋直径.因此, 1?A轴5YCL2A21a连续梁可以简化为图5模型,梁上作用荷载包括施工荷载和 预应力钢筋的等效预应力荷载.图51?A轴YCL2A21a连续梁简化模型?m3施工荷载计算梁板柱体系混凝土施工期间,新浇筑楼层混凝土自重荷载和施工荷载,由模板支撑系统和楼层梁板混凝土结构组成的临时承载结构承担,该临时承载结构是结构形状、 材料性能、 空间 位置、所受荷 载以及构件均随时间变化的时变结构体系1, 2.传统分析设计中,楼层梁板的主次 关系是板将荷载传给梁,在施工时变结构体系中已不存在,板上的荷载直接由模板支撑,模板支撑 再将荷载传给施工时变结构体系中的底层楼板.因此,在梁板柱

8、体系时变结构中,梁、 楼板 可以作为两个独立的时变结构体系处理,分别确定梁、 板时变结构体系中梁、 楼板、 模板支 撑或二次支撑承担的施工荷载及其传给楼层梁、 板的施工荷载3.施工时变结构体系中梁或楼板承担的施工荷载Fi为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为变结构体系承担的外荷载,浇注时,F= 1D(D为单位面积楼板自重),拆模时,F为 待拆除支撑承担的荷载;Li为i楼层混凝土弹性模量相对于28 d混凝土弹性模量的比 值;为时变结构体系中

9、,成熟混凝土梁、 板的竖向变形刚度与模板支撑的竖向变形刚度之 比;N为模板支撑设置层数.9第2期赵挺生等:预应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.按施工过程逐步计算,直到计算楼层支架拆除,累加每道工序梁板承担的施工荷载,获得计算楼层梁、 板承担的最大施工荷载.由此获得5YCL2A21a连续梁上施工荷载(图6).图6梁上作用的施工荷载?kNm4有效预应力等效荷载计算有效预应力Npe作用下的等效荷载,包括等效均布荷载和等效集中荷载.对于抛物 线预 应力筋线形,当预

10、应力筋在梁端切线与水平线夹角为 时,有效预应力分解成水平分力为Npecos和竖向分力为Npesin.很小时,取cos= 1 , sin=,NHpe=Npe,NVpe=Npe.梁A端弯矩为M0A=NpeeA,B端为M0B=NpeEB.跨内均布荷载为10q3= 8Npee30?l2,(4)式中,e30= (eA+eB)?2+em,eA为A端偏心距,eB为B端偏心距;em为跨中偏心距.由此计算获得5YCL2A21a连续梁的有效预应力等效荷载(图7).图7有效预应力等效荷载?kNm5变形分析计算获得1?A轴5YCL2A21a连续梁各截面参数如表1,模型弹簧支座弹簧系数k= 292 kN?m.验算表明,

11、结构在施工荷载和预应力等效荷载作用下的承载能力均满足现行规范(表2),与现场检查结构未开裂结果一致,因此结构变形分析可应用叠加原理分步计算.计算表 明 结构在预应力等效荷载和施工荷载作用下,构件端头变形分别为26 mm和76 mm ,总变形为10 2 mm(表3).结构变形、 内力如图8和9.表1材料特性与截面特性参数跨数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构件承

12、载能力验算结果验算内容承载力极限荷载效应正截面第四跨梁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局部承压锚固端1 075 kN506 kN表3两种荷载产生的变形分析结果mm施工荷载7674. 5预应力等效荷载2625. 5施工荷载+预应力等效荷载102100施工期间张拉的第一组预应力筋等效荷载产生的变形方向与施工荷载相同,占 总变形的25. 5% ,这与设计该组预应力筋以抵消部分施工荷载控制变形的目的相反,第 一组预应力钢筋没有达到控制变形的效果.图8变形示意图9施工荷载和预

13、应力等效荷载组合弯矩示意?kNm6影响结构变形因素分析a.预应力钢筋锚固角.分析表明预应力筋锚固端锚固角度对构件端头变形的影响十 分明显,锚固角度每增加1,变形增加5%6% (表4).表4不同锚固角度产生的变形量角度Ny?kNM0?kNm?mm201732145922190211762420620893262222051102823820112730253197143b.后浇带钢筋.计算模型采用简化处理方法,将后浇带每根钢筋对其自身的转动惯 量进行 一次线性迭加计算弹簧系数,即取后浇带的最小刚度.如k由292 kN?m增大到584 kN?m ,结 构变形将由102 mm减小为77 mm ,可见

14、弹簧系数影响较大.另外,计算中轴线,处主梁 的约束简化为刚性支座,减小了构件计算变形.01 华中科技大学学报(城市科学版)2005年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.c.设计影响.从图10, 11可见,构件第四跨在分别遭受施工荷载和预应力等 效荷载作用时,均产生负弯矩.其它三跨内的弯矩图二者刚好相反.说明前三跨的预应力筋起到抵抗因施工荷 载作用产生的弯矩作用,而第四跨则没有.图10施工荷载弯矩示意?kNm图11预应力等效荷载弯矩示意?kNm在只受预应力等效均布荷载作用时,构件的弯矩图和

15、只受施工荷载时产生的弯矩图相反(图1 2);而构件在只受等效集中荷载时,第四跨内为负弯矩(图13).将集中等效荷载分解为竖向 力和弯矩进行分析发现,竖向力产生负弯矩,集中弯矩产生正弯矩.图12预应力等效均布荷载弯矩示意?kNm图13预应力等效集中荷载弯矩示意?kNm第四跨预应力筋设计中,虽考虑到构件在施工荷载作用下将产生负弯矩,并在构件下配置了抛物线形预应力筋以抵抗负弯矩.由于锚固角度大而产生的向下竖向等效集中荷载抵消了向 上等效均布荷载产生的正弯矩,而且增大了第四跨的负弯矩,增大构件变形.d.施工方法影响.进程分析表明,楼层施工到第五层,即第四层未跨过后 浇带预应力筋张拉、第三层后浇带封闭时

16、,第四跨梁端头变形值为56mm.此时,一层到三层 后浇带已封闭,且支撑未拆除,一层到三层楼板刚度增加,变形应减小.因此,导致第四层 变形增大的合理解释是第三层支撑刚度不够,导致施工到顶层时,第四层变形量积累到102 mm.7结论与建议a.建议了留后浇带预应力混凝土结构施工短暂状况弹性支座梁模型,并给出 了弹簧系数的计算公式.b.留后浇带预应力混凝土结构上的荷载包括预应力等效荷载和施工荷载,可以分开计算确定.c.锚固于板面后浇带封闭前张拉的预应力钢筋(第一组预应力钢筋),锚固角度对梁端变形 影响较大.d.当第一组预应力钢筋锚固于板面时,锚固角尽可能小,并在施工组织设计时,对后浇带两侧的支撑适当加

17、强.e.当第一组预应力钢筋锚固于板底时,应采用大锚固角,后浇带两侧的支撑不应加强.参考文献1刘西拉.结构工程学科的现状与展望M .北京:人民交通出版社, 1997.2王光远.论时变结构力学J .土木工程学报, 2000,33(6): 1052108.3赵挺生,方东平,顾祥林,等.施工期现浇钢筋混凝土结构的受力特性J .工程力 学, 2004, 21(2): 62268.4赵挺生.高层建筑混凝土结构施工阶段安全性分析D .上海:同济大学土木工程学 院, 2002.5赵挺生,赵伟,顾祥林,等.高层混凝土结构施工阶段安全性分析的简化模型J .建筑结构, 2002,32(3): 10212.6赵挺生,

18、顾祥林,张誉.梁板柱体系混凝土建筑施工时变结构体系简化计算J .建筑结构, 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吕志涛,孟少平.现代预应力设计M .北京:中国建筑工业出版社, 1 998.11第2期赵挺生等:预应力混凝

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页)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 华中科技大学学报(城市科学版)2005年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.