無粘結預應力技術在超長曲線結構中的應用研究

徐 勇

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

0 引言

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

通過在結構中應用預應力技術，能夠改善結構性能，達到延緩裂縫出現，并有效降低較大荷載作用下結構的裂縫寬度及撓度，以及提升跨越空間等效果[2-4]。隨著預應力混凝土技術的應用推廣，不少學者針對預應力梁體理論分析進行研究，提出相應的預應力計算公式和有限元迭代分析計算方法[5-6]。

根據預應力筋的設置方式，預應力混凝土可分為有粘結預應力混凝土和無粘結預應力混凝土兩種[7]。當前在國內，無粘結預應力混凝土技術的應用與研究，主要集中在橋梁及房屋建筑中，但在超長連續曲線預應力露天結構中的應用還比較少[8]。本文以福建省大學生體育館為例，通過對無粘結預應力技術在超長結構中的設計與施工進行分析，為今后該項技術在超長結構中的應用提供參考。

1 工程概況

福建省大學生體育館，位于福州地區大學城新區。該體育場館由東西南北4個區組成，東西區長度超過210.00m，南北區長度超過100.00m，主體建筑面積約24 856.00m2(不計觀眾席與比賽場地)，是一個甲級體育場，能同時容納24 000多名觀眾，設有8道400m跑道標準足球場等運動場地，可承辦全國性體育比賽以及田徑和足球單項的國際性比賽，體育場的俯瞰圖，如圖1所示。

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

鑒于該工程中的諸多困難，考慮到預應力混凝土對結構的裂縫和撓度有很好的控制作用及工程特性，因此，該工程結構設計采用無粘結預應力混凝土技術。

圖1 體育場俯瞰圖

2 預應力結構設計

2.1 預應力筋計算

通常對預應力結構進行設計時，需參照《混凝土結構設計規范》[9]和《無粘結預應力混凝土結構技術規程》[10]的相關規定，對預應力構件進行正常使用極限狀態和承載能力極限狀態計算。該工程中的超長曲線看臺，設置預應力筋，主要是為了承擔混凝土結構因溫度差產生的應力，故在對預應力計算確定預應力筋數量時，直接參照直線布筋形式的截面假定進行計算。預應力結構面板截面如圖2所示，按下式計算。

式中，σ0——預壓控制應力；

Fp——預應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——預應力筋產生的有效應力；

Ap——預應力筋的計算面積。

圖2 預應力面板截面圖

2.2 預應力筋布置原則

在該工程中，因結構混凝土面板的面積比梁大得多，面板上的溫度效應相對更明顯，因此，預應力筋主要考慮布置在面板中。預應力筋在面板中，可以按照橫向等間距布置，當在某個截面處預應力筋間距過小時，可將其中的2～3根預應力筋組合成一束進行布置，以滿足方便施工的要求。

當部分板開洞較大不適宜布置預應力筋時，可將計算得到面板中的預應力筋，均勻分配到板兩側的梁內。為避免梁內的預應力筋造成偏壓力，產生附加彎矩，預應力筋宜靠近梁的中和軸，上下左右對稱布置。

2.3 預應力筋張拉原則

按照《無粘結預應力混凝土結構技術規程》中規定[10]：“當無粘結預應力筋長度大于30.00m但不超過60.00m時，應當采用兩端張拉；當預應力筋長度不低于60.00m時，宜采用分段張拉錨固。但當有工程經驗和可靠的設計依據時，無粘結預應力筋的長度可不受此限制。”

該工程施加預應力，主要是為了提升結構的抗震能力和抗裂性能，考慮到結構形式為超長曲線型混凝土結構，可根據結構的平面特點，采用分段布置預應力筋，分段張拉的原則進行。

3 施工關鍵技術分析

3.1 無粘結預應力筋的布置

當普通鋼筋綁扎完畢后，鋪設預應力筋。在無粘結應力筋鋪設前，先在梁的箍筋上標定預應力筋曲線坐標位置，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，在每個反彎點處設一個支托。預應力筋的搭接設在梁支座處。為避免預應力筋張拉過程中在混凝土結構看臺的同一截面上產生裂縫，相鄰兩根梁預應力筋的張拉端錯開0.50mm布置。當安裝無粘結束時，如發現塑料套管局部有破損，及時用膠帶進行修補。在綁扎無粘結預應力筋時，通過鋼筋支托有效的支撐，避免預應力筋在澆筑混凝土時不發生錯位和移位。同時，在綁扎過程中，保證預應力筋水平順直以及相應的圓弧度，并控制好間距。所有工作完成后，進行自檢專檢及隱蔽驗收工作。

3.2 混凝土澆筑施工

無粘結預應力筋及普通鋼筋均布置結束，并在驗收合格之后，開始混凝土澆筑施工。混凝土澆筑施工過程中，為保證無粘結預應力筋的位置和標高不受影響，以保障預應力混凝土的澆筑質量，澆筑振搗過程中嚴禁對預應力筋鋼筋支托以及預埋錨固件進行擠壓或碰撞。同時，充分振搗在張拉和錨固處的混凝土，避免因振搗不足導致蜂窩麻面。最后，依據規范要求制備混凝土試塊，用于檢測混凝土強度。

3.3 無粘結預應力張拉

根據設計要求，預應力筋設計采用變角張拉，變角張拉施工如圖3所示。預應力筋的下料長度包括實際結構所需預應力筋長以及變角塊厚度。當混凝土的強度達到設計要求的張拉強度時(可通過相同條件下養護的試塊來判別)，進行預應力鋼絞線的張拉施工。在張拉施工前，對張拉設備進行校驗，并將張拉端的穴模清理干凈。該項目工程預應力筋的張拉設計采用超張拉，設計控制張拉應力為預應力筋強度的70%，這樣可以很大程度上降低預應力的松弛損失。對于超長預應力鋼絞線的張拉，張拉力以控制應力為主，對應鋼絞線的伸長值用作校核。預應力筋張拉所采用的液壓千斤頂的張拉行程，一般為15cm～20cm，對較長的預應力鋼絞線，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。張拉施工程序為:0→0.1σcon→1.03σcon錨固，同時，可以分級加載，分級測量伸長量。每一束無粘結預應力鋼絞線的張拉，均應進行應力值和伸長值得雙控，張拉伸長值和理論計算值允許誤差為+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

無粘結預應力鋼絞線張拉施工結束經檢查合格后，即對張拉錨固端進行封堵。封堵前，將多余的鋼絞線用砂輪鋸切割，嚴禁采用熔斷的方式進行切割，并控制切割后的預應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，按規范要求用防腐材料涂刷錨具并進行防水處理。最后，采用比原結構的混凝土高一等級的內摻膨脹劑的細石混凝土進行澆筑封堵。

4 施工注意事項

(1)無粘結預應力施工所需要的材料(主要是無粘結束和錨具)均應有出廠合格證明，并根據有關規范的要求進行材料進場抽檢。施工單位應在施工前，組建專門的施工作業隊伍，對其進行相關教育以充分理解施工圖紙，同時針對預應力部分的施工制定專項的施工方案。

(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，梁內的無粘結預應力筋安裝應盡可能布置在梁中心位置，避免無粘結束安裝偏離中間位置，離梁側過近，張拉施工時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，無粘結預應力束穿過柱子的位置，應在鋼柱處事先預留可以穿過預應力束的小孔。同時，避免預應力鋼絞線與鋼板存在切角，以免張拉時預應力束易斷絲甚至斷束。

5 結語

通過采用無粘結預應力技術，解決了超長曲線結構的溫度應力問題，提高了混凝土抗裂性能。針對后張拉無粘結預應力技術在超長曲線型結構中應用的特殊性，主要將預應力筋布置在混凝土板中，并采用短布筋分段張拉的原則進行張拉。