徐 勇

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

0 引言

早在20世紀(jì)50年代，我國就開始引進(jìn)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，并就該技術(shù)開展相關(guān)的研究。目前，對預(yù)應(yīng)力混凝土的認(rèn)識，主要有以下3種[1]：①預(yù)應(yīng)力將混凝土由脆性材料變成彈性材料，即認(rèn)為在預(yù)應(yīng)力作用下，鋼筋混凝土的混凝土性能被改變；②預(yù)應(yīng)力使混凝土與高強(qiáng)鋼筋或鋼絞線共同工作，即通過預(yù)應(yīng)力使高強(qiáng)材料得到充分應(yīng)用；③預(yù)應(yīng)力用于平衡荷載，以抵抗全部或者部分工作荷載。

通過在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，能夠改善結(jié)構(gòu)性能，達(dá)到延緩裂縫出現(xiàn)，并有效降低較大荷載作用下結(jié)構(gòu)的裂縫寬度及撓度，以及提升跨越空間等效果[2-4]。隨著預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的應(yīng)用推廣，不少學(xué)者針對預(yù)應(yīng)力梁體理論分析進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力計(jì)算公式和有限元迭代分析計(jì)算方法[5-6]。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置方式，預(yù)應(yīng)力混凝土可分為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土兩種[7]。當(dāng)前在國內(nèi)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的應(yīng)用與研究，主要集中在橋梁及房屋建筑中，但在超長連續(xù)曲線預(yù)應(yīng)力露天結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還比較少[8]。本文以福建省大學(xué)生體育館為例，通過對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在超長結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行分析，為今后該項(xiàng)技術(shù)在超長結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

福建省大學(xué)生體育館，位于福州地區(qū)大學(xué)城新區(qū)。該體育場館由東西南北4個(gè)區(qū)組成，東西區(qū)長度超過210.00m，南北區(qū)長度超過100.00m，主體建筑面積約24 856.00m2(不計(jì)觀眾席與比賽場地)，是一個(gè)甲級體育場，能同時(shí)容納24 000多名觀眾，設(shè)有8道400m跑道標(biāo)準(zhǔn)足球場等運(yùn)動場地，可承辦全國性體育比賽以及田徑和足球單項(xiàng)的國際性比賽，體育場的俯瞰圖，如圖1所示。

該大學(xué)生體育場看臺，屬于超長結(jié)構(gòu)且厚度僅有60.00，混凝土澆筑過程中易造成散熱過快而導(dǎo)致開裂。同時(shí)，又由于看臺是露天結(jié)構(gòu)，溫度變化比較大，較大的溫差易造成混凝土因收縮膨脹產(chǎn)生裂縫。如何有效控制該工程項(xiàng)目在混凝土澆筑施工期間和施工結(jié)束后結(jié)構(gòu)不開裂，以及后期使用看臺不滲漏，是該工程的重點(diǎn)難點(diǎn)。

鑒于該工程中的諸多困難，考慮到預(yù)應(yīng)力混凝土對結(jié)構(gòu)的裂縫和撓度有很好的控制作用及工程特性，因此，該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)。

圖1 體育場俯瞰圖

2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)應(yīng)力筋計(jì)算

通常對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]和《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]的相關(guān)規(guī)定，對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)計(jì)算。該工程中的超長曲線看臺，設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，主要是為了承擔(dān)混凝土結(jié)構(gòu)因溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力，故在對預(yù)應(yīng)力計(jì)算確定預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量時(shí)，直接參照直線布筋形式的截面假定進(jìn)行計(jì)算。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)面板截面如圖2所示，按下式計(jì)算。

式中，σ0——預(yù)壓控制應(yīng)力；

Fp——預(yù)應(yīng)力筋作用在混凝土受壓面積上的壓力；

A陰影——混凝土面板受壓面積；

σp——預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的有效應(yīng)力；

Ap——預(yù)應(yīng)力筋的計(jì)算面積。

圖2 預(yù)應(yīng)力面板截面圖

2.2 預(yù)應(yīng)力筋布置原則

在該工程中，因結(jié)構(gòu)混凝土面板的面積比梁大得多，面板上的溫度效應(yīng)相對更明顯，因此，預(yù)應(yīng)力筋主要考慮布置在面板中。預(yù)應(yīng)力筋在面板中，可以按照橫向等間距布置，當(dāng)在某個(gè)截面處預(yù)應(yīng)力筋間距過小時(shí)，可將其中的2～3根預(yù)應(yīng)力筋組合成一束進(jìn)行布置，以滿足方便施工的要求。

當(dāng)部分板開洞較大不適宜布置預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，可將計(jì)算得到面板中的預(yù)應(yīng)力筋，均勻分配到板兩側(cè)的梁內(nèi)。為避免梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋造成偏壓力，產(chǎn)生附加彎矩，預(yù)應(yīng)力筋宜靠近梁的中和軸，上下左右對稱布置。

2.3 預(yù)應(yīng)力筋張拉原則

按照《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定[10]：“當(dāng)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋長度大于30.00m但不超過60.00m時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用兩端張拉；當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋長度不低于60.00m時(shí)，宜采用分段張拉錨固。但當(dāng)有工程經(jīng)驗(yàn)和可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的長度可不受此限制?！?/p>

該工程施加預(yù)應(yīng)力，主要是為了提升結(jié)構(gòu)的抗震能力和抗裂性能，考慮到結(jié)構(gòu)形式為超長曲線型混凝土結(jié)構(gòu)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的平面特點(diǎn)，采用分段布置預(yù)應(yīng)力筋，分段張拉的原則進(jìn)行。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的布置

當(dāng)普通鋼筋綁扎完畢后，鋪設(shè)預(yù)應(yīng)力筋。在無粘結(jié)應(yīng)力筋鋪設(shè)前，先在梁的箍筋上標(biāo)定預(yù)應(yīng)力筋曲線坐標(biāo)位置，然后將支托焊接在箍筋上。鋼筋支托的布置間距控制在1m～1.5m，支托直徑一般取8mm，在每個(gè)反彎點(diǎn)處設(shè)一個(gè)支托。預(yù)應(yīng)力筋的搭接設(shè)在梁支座處。為避免預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中在混凝土結(jié)構(gòu)看臺的同一截面上產(chǎn)生裂縫，相鄰兩根梁預(yù)應(yīng)力筋的張拉端錯(cuò)開0.50mm布置。當(dāng)安裝無粘結(jié)束時(shí)，如發(fā)現(xiàn)塑料套管局部有破損，及時(shí)用膠帶進(jìn)行修補(bǔ)。在綁扎無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，通過鋼筋支托有效的支撐，避免預(yù)應(yīng)力筋在澆筑混凝土?xí)r不發(fā)生錯(cuò)位和移位。同時(shí)，在綁扎過程中，保證預(yù)應(yīng)力筋水平順直以及相應(yīng)的圓弧度，并控制好間距。所有工作完成后，進(jìn)行自檢專檢及隱蔽驗(yàn)收工作。

3.2 混凝土澆筑施工

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋及普通鋼筋均布置結(jié)束，并在驗(yàn)收合格之后，開始混凝土澆筑施工?；炷翝仓┕み^程中，為保證無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的位置和標(biāo)高不受影響，以保障預(yù)應(yīng)力混凝土的澆筑質(zhì)量，澆筑振搗過程中嚴(yán)禁對預(yù)應(yīng)力筋鋼筋支托以及預(yù)埋錨固件進(jìn)行擠壓或碰撞。同時(shí)，充分振搗在張拉和錨固處的混凝土，避免因振搗不足導(dǎo)致蜂窩麻面。最后，依據(jù)規(guī)范要求制備混凝土試塊，用于檢測混凝土強(qiáng)度。

3.3 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)采用變角張拉，變角張拉施工如圖3所示。預(yù)應(yīng)力筋的下料長度包括實(shí)際結(jié)構(gòu)所需預(yù)應(yīng)力筋長以及變角塊厚度。當(dāng)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的張拉強(qiáng)度時(shí)(可通過相同條件下養(yǎng)護(hù)的試塊來判別)，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉施工。在張拉施工前，對張拉設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，并將張拉端的穴模清理干凈。該項(xiàng)目工程預(yù)應(yīng)力筋的張拉設(shè)計(jì)采用超張拉，設(shè)計(jì)控制張拉應(yīng)力為預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)度的70%，這樣可以很大程度上降低預(yù)應(yīng)力的松弛損失。對于超長預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉，張拉力以控制應(yīng)力為主，對應(yīng)鋼絞線的伸長值用作校核。預(yù)應(yīng)力筋張拉所采用的液壓千斤頂?shù)膹埨谐?，一般?5cm～20cm，對較長的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其張拉伸長值會超過千斤頂一次行程，必須分級張拉，分級錨固。張拉施工程序?yàn)?0→0.1σcon→1.03σcon錨固，同時(shí)，可以分級加載，分級測量伸長量。每一束無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉，均應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力值和伸長值得雙控，張拉伸長值和理論計(jì)算值允許誤差為+6%～-6%。如超出范圍，須查明原因采取措施。

圖3 變角張拉示意圖

3.4 張拉端封堵

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉施工結(jié)束經(jīng)檢查合格后，即對張拉錨固端進(jìn)行封堵。封堵前，將多余的鋼絞線用砂輪鋸切割，嚴(yán)禁采用熔斷的方式進(jìn)行切割，并控制切割后的預(yù)應(yīng)力鋼絞線外露長度距錨具夾片的距離約30.00mm。然后，清理穴口，按規(guī)范要求用防腐材料涂刷錨具并進(jìn)行防水處理。最后，采用比原結(jié)構(gòu)的混凝土高一等級的內(nèi)摻膨脹劑的細(xì)石混凝土進(jìn)行澆筑封堵。

4 施工注意事項(xiàng)

(1)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工所需要的材料(主要是無粘結(jié)束和錨具)均應(yīng)有出廠合格證明，并根據(jù)有關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行材料進(jìn)場抽檢。施工單位應(yīng)在施工前，組建專門的施工作業(yè)隊(duì)伍，對其進(jìn)行相關(guān)教育以充分理解施工圖紙，同時(shí)針對預(yù)應(yīng)力部分的施工制定專項(xiàng)的施工方案。

(2)對于看臺部分，梁截面通常為弧形，且梁寬度均不超過250mm，由于梁寬較小，梁內(nèi)的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋安裝應(yīng)盡可能布置在梁中心位置，避免無粘結(jié)束安裝偏離中間位置，離梁側(cè)過近，張拉施工時(shí)造成局部混凝土劈裂。

(3)該工程東西看臺的柱子采用勁性混凝土，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束穿過柱子的位置，應(yīng)在鋼柱處事先預(yù)留可以穿過預(yù)應(yīng)力束的小孔。同時(shí)，避免預(yù)應(yīng)力鋼絞線與鋼板存在切角，以免張拉時(shí)預(yù)應(yīng)力束易斷絲甚至斷束。

5 結(jié)語

通過采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，解決了超長曲線結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力問題，提高了混凝土抗裂性能。針對后張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在超長曲線型結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的特殊性，主要將預(yù)應(yīng)力筋布置在混凝土板中，并采用短布筋分段張拉的原則進(jìn)行張拉。