上海白龍港蛋形消化池后張有粘結預應力施工

陳小歡 孫太平

(中鐵上海工程局市政工程有限公司，上海 201101)

0 引言

預應力混凝土蛋形消化池為特種異形構筑物(以下簡稱消化池)，主要用來處理污泥，目前國內尚無專門的技術規范和施工驗收標準，業內一般采用《給水排水構筑物施工及驗收規范》及其他相應標準。后張有粘結預應力施工是消化池結構施工核心工序，其施工質量對結構安全有十分重要的意義。

1 工程概況

上海白龍港水質凈化廠設計建造8座蛋形消化池，設計使用年限為50年，消化池池體為雙曲面預應力鋼筋混凝土結構，單池設計容積12 400 m3，全高45．555 m(設計地面以上高32．255 m，地下埋深13．3 m)，赤道圓處池內直徑25．0 m，地面以上殼體為800 mm～400 mm厚漸變池壁，主體混凝土強度等級C40，抗滲等級S10。8座消化池總體規模目前在同類結構中位居亞洲第一。整體效果見圖1。

圖1 蛋形消化池整體效果圖

消化池有粘結預應力為后張法施工，采用低松弛高強度預應力鋼絞線。豎向均勻分布72根4φs15．20預應力束，采用內置張拉端池內張拉(其中c型鋼絞線每池18根，下端采用預埋擠壓P錨，b型18根，a型36根)，張拉時，c型采用一端固定，一端張拉，a，b型采用兩端張拉。消化池水平向共分布122圈預應力束，其中 V1～V102為6φs15．20預應力束，V103～V122為4φs15．20預應力束，張拉端采用張拉孔設計，在池壁外側張拉，張拉方式均采用兩點同步變角張拉(25°變角)。預應力張拉控制應力為σcos=0．80fptk，張拉控制采用應力和鋼絞線伸長值雙重控制。

預應力筋孔道用塑料波紋管做成，4索內徑為55 mm，6索內徑為65 mm，孔道灌漿采用真空灌漿技術，真空度80%以上，灌漿壓力大于 0．7 MPa。

2 預應力制孔

2．1 預應力制孔材料

制孔材料采用塑料HDPE塑料波紋管(見圖2)，四索內徑為55 mm(SBG-50Y)，六索內徑為65 mm(SBG-60Y)波紋管質量滿足給水用高密度聚乙烯HDPE管材GB/T 13663-92的規定。

2．2 預應力孔道敷設

波紋管的敷設按設計標高及位置敷設，塑料波紋管豎向和水平向的埋管誤差應控制在5 mm。

波紋管安裝后，用φ12的U形筋點焊在鋼筋上固定，以免澆混凝土時變形，見圖3。

同時，為防止混凝土施工中孔道變形，采用在波紋管中安裝硬聚乙烯內襯管確保成孔質量，即φ65 mm波紋管內設φ58內襯管，φ55 mm波紋管內安裝φ58內襯管。

圖2 塑料波紋管實物圖

圖3 塑料波紋管固定圖

3 預應力筋穿束

1)采用整束穿法，穿束前，鋼絞線匯編成束，將標簽貼于鋼絞線上(如a1～a18，b1～b18，v1～v18)與編好號的波紋管一一對應，過程中用φ8鋼絲繩做牽引，將鋼絞線束引入孔道，一端拉鋼絲繩，另一端人工推送。2)水平向管道穿束，從任何一端穿入均可。a，b型豎向管道的鋼絞線，從頂部到底部由上往下穿入，已穿入的鋼絞線用夾片固定于頂部錨板中。3)對于c型豎向鋼絞線擠壓好后從下往上穿。施工中嚴禁電火花燒傷管道內的鋼絞線，或利用鋼筋骨架做電焊回路。4)孔道內鋼絞線穿完后，用彩條布將露在孔道處的鋼絞線包好，防止水和其他雜物進入管道內。5)預應力筋預留工作長度。錨固端預留長度為:錨具1/2厚度+50 mm;張拉端預留長度為:錨具1/2厚度+限位板厚度+轉向裝置長度+過渡塊厚度+500 mm。

4 預應力試驗

4．1 試驗目的

1)確定預應力施工過程中的各項短期預應力損失，包括變角損失、孔道摩阻損失、錨口損失和預應力筋內縮引起的損失;

2)利用實測數據分析判斷實際的預應力損失來校核設計參數，并以此為基礎確定合理的施工工藝，使得殼體預應力值的建立符合設計要求;

3)在結構正式施工之前，通過預應力試驗實現對預應力張拉過程的預演，檢驗施工工藝、機具及施工組織安排的可靠性，為實體結構施工提供經驗及指導。

4．2 試驗測試參數

根據GB 50010-2002混凝土結構設計規范，后張法預應力混凝土的預應力損失包括:1)張拉端錨具變形和鋼筋內縮損失σl1(含錨口損失與夾片回縮損失);2)預應力鋼筋的摩擦損失σl2(含孔道摩阻損失與轉向器摩阻損失);3)預應力鋼筋的應力松弛損失σl4;4)混凝土收縮、徐變引起的預應力損失σl5;5)混凝土局部擠壓引起的預應力損失 σl6;這幾項中，σl1，σl2，σl6為短期損失，本預應力試驗選擇池體結構的V3～V5的三圈換向預應力筋進行試驗，由于試驗部位的池壁截面較大，近似于塊體結構，且構件的直徑較大，試驗對混凝土的擠壓變形不予考慮，而σl4，σl5為長期損失，不會影響試驗結果，因此本次試驗主要針對σl1，σl2進行測試。

4．3 試驗方法

4．3．1 孔道摩阻損失與轉向器摩阻損失σl2

測試時把水平預應力束的兩端一個作為張拉端，另一個作為固定端，在每端各布置2個錨索計，試驗裝置布置見圖4，圖5，其中工具錨2，3均不裝夾片。在每次張拉過程中，2號和3號錨索計讀數的差值即為本次張拉時因孔道摩阻產生的預應力損失，1號和2號(或3號和4號)錨索計讀數的差值即為轉向塊摩阻損失。具體操作時，先A端為張拉端、B端為錨固端;再B端為張拉端、A端為錨固端;兩次試驗結果的平均值為實測摩阻損失。

圖4 A端試驗裝置布置圖

4．3．2 錨口損失與夾片回縮損失σl1

在每圈預應力鋼絞線的張拉端布置2個錨索計，如圖6所示，張拉預應力束到控制應力(0．8fptk)時，開始讀數，5號、6號2個錨索計讀數的差值即為錨口損失;然后將預應力筋錨固并讀數，6號錨索計兩次讀數差即為夾片回縮損失。

圖6 張拉端設備布置示意圖

通過三圈預應力筋的試驗，統計出預應力筋張拉至設計要求的張拉控制應力σcon(即0．8fptk)時的各項損失指標如下:

25°變角損失:4．54%;

孔道摩阻系數 μ =0．214(k=0．002);

錨口損失:5．81%;

預應力筋內縮引起的損失:11．45%。

5 預應力張拉

5．1 理論伸長值及油壓表讀數的計算

根據DGJ 08-235-1999后張預應力施工規程(上海市標準)，后張預應力筋張拉時理論伸長值Δl，按下式計算:

其中，Ep為預應力筋彈性模量，1．95×105;Fm為從張拉端到計算截面預應力筋的平均張拉力;l為從張拉端到計算截面的孔道長度。

其中，F為張拉斷拉力，F=σconAp，Ap為預應力筋的公稱截面積，139 mm2。

以V1為例(水平圓周半徑r=11．377 m):

張拉力 F=σconAp=0．8×fptk×Ap=125 t。

錨口張拉端拉力F(扣除變角與錨口損失):

取 μ =0．214，k=0．002。

取張拉端至計算截面長度l(1/4圓周):

1/4圈伸長量:

半圈伸長量Δl/2=2Δl/4=126 mm。

一圈伸長量Δl=2Δl/2=252 mm。

根據施工實測伸長值的驗證，上述計算公式符合規范計算要求。

5．2 實際伸長值的量測

預應力筋張拉伸長值的量測，在建立初拉力之后進行，實測的張拉伸長值:

其中，Δl1為初應力至最大張拉力之間的實測伸長值;Δl0為初應力至最大張拉力之間的實測伸長值;Δk為千斤頂長度內的張拉伸長值。另外為開始量測伸長值時的張拉力，一般為0．1F;F為錨固前測量伸長值時的張拉力。

5．3 環向預應力張拉

環向無粘結預應力筋采用變角張拉:預應力筋張拉端凹入混凝土池壁內，采用變角塊張拉方法，變角器為25°。按次序安裝限位板、變角器(偏轉器)要求位置正確，各部件間緊密、縫隙小。再按要求安裝千斤頂和相關的張拉桿、工具錨等。

千斤頂加載順序為:0→0．1σcon→0．2σcon→0．5σcon→0．5σcon(回油)→1．0σcon(持荷2 mm 錨固)→錨固(σcon=0．8fptk)。

5．4 豎向預應力張拉

在張拉順序上，預應力施工先張拉0．00以下水平向鋼絞線，再張拉b，c型鋼絞線，然后張拉剩余水平向鋼絞線，最后張拉豎向a型鋼絞線。

千斤頂加載順序為:0→0．1σcon→0．2σcon→1．0σcon→錨固(σcon=0．8fptk)。

5．5 張拉控制要求

池壁混凝土強度達到100%，齡期1個月后方可進行張拉施工，水平向預應力均采用兩點同步張拉，豎向預應力按設計圖分別采用一端固定、一端張拉和兩端張拉兩種形式，張拉控制應力為0．80fptk，張拉控制采用應力和鋼絞線伸長值雙重控制，即從應力為零開始張拉至1．00倍預應力筋的張拉控制應力，同時校核鋼絞線的伸長值，如實際伸長值大于計算值的10%或小于計算值的5%，應停止張拉，查明原因，采取措施予以調整后方可繼續進行張拉。

6 預應力灌漿

6．1 孔道灌漿制漿要求

1)孔道灌漿采成品料灌漿，配合比為1∶0．34(料∶水重量比);2)漿體性能:采用UBC3．0灌漿泵和普通砂漿攪拌機，攪拌后3 h泌水率宜控制在2%，最大不得超過3%，24 h泌水應能被吸收，體積變化率不大于2%，流動度20 s左右;3)水泥漿體進入壓漿泵前必須經過不大于1．2 mm篩孔篩網過濾;4)水泥漿拌合至灌入孔道的間隔時間不宜大于20 min，灌漿前應防止漿體沉淀離析;5)在標準養護條件下，漿體的7 d齡期強度大于30 MPa，抗滲性能大于1 MPa。

6．2 孔道灌漿施工

6．2．1 真空灌漿工作原理

真空灌漿工作原理:在孔道的一端采用真空泵對孔道進行抽真空使之產生負壓(－0．06 MPa～－0．1 MPa左右)后，在孔道的另一端用灌漿泵進行灌漿，直至充滿整條孔道，然后灌漿泵再給孔道施加0．7 MPa的正壓力。從而獲得更加飽滿、密實的灌漿效果。

6．2．2 真空灌漿施工方法

1)攪拌灌漿料使其水灰比、流動度、泌水性達到技術要求指標;2)啟動真空泵抽真空，使真空度達到－0．08 MPa～－0．1 MPa并保持穩定;3)啟動灌漿泵，當灌漿泵輸出的漿體達到要求稠度時，將泵上的輸送管接到錨墊板上的引出管上，開始灌漿;4)灌漿緩慢、均勻進行，灌漿泵壓力保持在0．5 MPa～0．7 MPa，在出漿孔流出的漿體稠度與灌入的漿體一致時，關閉出漿孔等，并保持1 min～2 min方可關閉灌漿泵;5)管道灌漿順序為先下面孔道，后上面孔道，集中一處的孔道應一次完成，豎向孔道灌漿應由低端壓入，高端溢出;6)待抽真空端的空氣濾清器中有漿體經過時，關閉空氣濾清器前端的閥門，稍后打開排氣閥，當水泥漿從排氣閥順暢流出，且稠度與灌入的漿體相當時，關閉抽真空端所有的閥;7)關閉灌漿泵及灌漿端閥門，完成真空灌漿。

7 結語

通過精心組織，上海白龍港8座蛋形消化池成功運用了后張有粘結預應力變角張拉施工工藝，施工質量優良，且一次性通過了消化池閉水閉氣試驗，為國內外消化池的類似施工提供了寶貴的經驗借鑒。

［1］GB 50204-2002，混凝土結構工程施工質量驗收規范［S］．

［2］JGJ 85-2002，預應力筋用錨具、夾具和連接器應用規程［S］．

［3］DGJ 08-235-1999，后張預應力施工規程(上海市標準)［S］．

［4］CECS 216∶2006，給水排水工程預應力混凝土圓形水池結構技術規程［S］．

［5］GB 50268-2008，給水排水構筑物施工及驗收規范［S］．