部分無黏結預應力混凝土結構設計與應用

李毅，劉曉東，劉凌鋒

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

1 概述

預應力混凝土結構是指在結構構件受外力荷載作用前預先對混凝土受拉區施加壓應力，由此產生的預應力狀態用以抵消或減小外荷載所引起的受拉區拉應力，使構件不受或受到較小拉應力的結構。預應力鋼筋和混凝土的黏結狀態可分為：

1）有黏結預應力混凝土。有黏結預應力混凝土是指預應力筋沿其全長均與混凝土接觸面存在黏結作用，兩者黏結在一起且不允許相對滑移，通過預應力鋼筋與混凝土的黏結力將預應力傳遞給混凝土，在這種結構中，相鄰的預應力鋼筋與混凝土具有相同的應變和變形。一般情況，先張法施工的預應力混凝土屬于有黏結預應力混凝土，后張法的預應力混凝土也屬于有黏結預應力混凝土。對后張法施工的預應力混凝土構件，通常做法是在構件中預留孔道，待預應力筋張拉至控制應力后，用壓力灌漿將預留孔道孔隙填實。

2）無黏結預應力混凝土。無黏結預應力混凝土是指預應力筋沿其全長與混凝土接觸面之間不存在黏結作用，兩者無黏結且可以相對滑移，預應力通過兩端錨具傳遞給混凝土，在這種結構中，相鄰的預應力鋼筋與混凝土應變和變形不協調。一般情況，無黏結預應力混凝土都是后張法預應力結構。

本文以港珠澳大橋半剛性管節結構體系[1]為背景，創新性地提出了部分無黏結預應力混凝土結構[2]。所謂部分無黏結預應力混凝土，是指預應力筋沿其全長與混凝土接觸面之間同時存在有黏結段和無黏結段（如圖1所示），在有黏結段兩者接觸面不允許相對滑移，在無黏結段兩者接觸面允許相對滑移。在這種結構中，預應力在有黏結段通過預應力鋼筋與混凝土的黏結力傳遞給混凝土，相鄰的預應力鋼筋與混凝土具有相同的應變和變形；預應力在無黏結段，相鄰的預應力鋼筋與混凝土應變和變形不協調。部分無黏結預應力混凝土的施工做法是在構件中預留孔道，其中無黏結段采用特殊的無黏結預應力管道，待預應力筋張拉至控制應力以后，用壓力灌漿將預留孔道孔隙填實[3]。

圖1 部分無黏結預應力混凝土結構Fig.1 Partially unbonded prestressed concrete structure

2 部分無黏結預應力混凝土關鍵設計問題

2.1 關鍵結構構造

為了保證節段接頭在偶然工況等極端不利情況下能以毫米級張開來釋放彎矩內力[4]，在節段接頭6 m范圍內采用帶光滑管壁的節段接頭連接件來實現無黏結效果。節段接頭連接件分為先澆端和匹配端，匹配端內管安裝空間為35 cm，先澆端內管安裝空間為30 cm，具體構造見圖2[5]。有黏結段采用常規波紋管，連接件與波紋管連接方式可參照波紋管對接方式。

圖2 節段接頭連接件構造示意圖（左為匹配端，右為先澆端）Fig.2 Schematic diagram of the joint connector of the segment(the left is the matching end,the right is the first pouring end)

節段接頭連接件包括外接頭管1、外接頭管2、內接管3部分。

外接頭管1：長度為3．3 m，包括：φ156 mm長度3 m光滑外壁套管+φ121 mm長度0．3 m變徑過渡套管。接頭管1內部350 mm深度位置設計有擋圈與內接管配合，產生密封效果。接頭管1預埋在節段N-1的混凝土內，與節段N匹配，澆筑前安裝連接件內接管，并確認接頭管1和接頭管2在接縫位置完全接觸之后，方可進行混凝土澆筑。

外接頭管2：長度為3．3 m，包括：φ156 mm長度3 m光滑外壁套管+φ121 mm長度0．3 m變徑過渡套管。接頭管2內部300 mm深度位置設計有擋圈與內接管配合，產生密封效果。接頭管2首先預埋在節段N的混凝土內。

內接管：安裝在接頭管1和接頭管2內部，兩端各設計有3處O形密封圈，內接管外部纏繞有遇水膨脹密封帶。

2.2 無黏結長度計算

在每個節段接頭處，在長度6 m范圍設置預應力無黏結段，而在其他剩余長度范圍內是有黏結段。由于在節段接頭處長度6 m范圍內是無黏結段，節段接頭任何張開都將引起無黏結段范圍內后張預應力筋的均勻拉伸。無黏結段后張預應力筋拉伸勢必帶來其應力相應增加，但是仍然小于全黏結預應力筋應力。由于節段接頭張開會引起相應的后張預應力筋應力增加，因此預應力張拉時將張拉應力控制在0．6 fpk的較低水平。當偶然工況等極端不利情況下即便預應力筋應力增加，其總應力仍然不超過0．75 fpk。

假設無黏結長度范圍內預應力筋應力均勻增加，因此可以確定該節段接頭的實際張開量及相應預應力筋應力的增加量。假設沉管隧道在撓曲彎矩作用下，節段接頭頂板或底板單側張開量控制在5 mm以內，此時無黏結段預應力筋應力增加不超過0．1 fpk。假設忽略向黏結長度過渡時預應力筋的相對位移，且不考慮有黏結段預應力筋相對位移，因此可以計算得到無黏結段長度最短需5．24 m[6]。實際工程應用時采用6 m長無黏結段。

2.3 耐久性

由于預應力體系無法更換，因此必須與主體沉管結構一樣滿足120 a的使用壽命。其主要耐久性措施涵蓋以下幾個方面：預應力度較低，在120 a使用期無疲勞損壞；預應力筋與海水完全隔絕；特制的防水錨頭能滿足120 a不銹蝕；在節段接頭張開的情況下，預應力孔道在接頭處仍能不被破壞并保持密封。

考慮到港珠澳沉管隧道暴露于高腐蝕環境中（外部海水以及隧道內機動車尾氣排放）。預應力筋潛在薄弱環節位于節段接頭處并且可能在頂、底板上撓曲開裂的位置。根據暴露環境，對預應力筋采用填料，該填料能提供耐久防腐蝕保護，并安裝在水密外套里，該外套防水蒸汽并且化學穩定而不腐蝕。該封裝或者防水密封要求需要延伸跨過節段接頭并包括預應力錨固。

3 試驗驗證

為防止深海環境下預應力筋可能遭受的腐蝕，施工時需保證節段接頭位置的預應力管道接頭的連續性和密封性，確保在節段接頭張開的情況下，預應力孔道在接頭處仍能不破斷并保持密封。預應力系統為整個結構體系的生命線，而且由于其無法更換，必須與沉管主體結構一樣能達到120 a設計使用壽命，具有極高的耐久性要求。為驗證預應力體系的耐久性，重點針對節段接頭這個沉管永久預應力體系的薄弱環節，模擬預應力管道在施工和埋置深海階段的工況，對節段接頭連接件的水密性和無黏結性進行研究[7-8]。

3.1 水密性試驗

水密性試驗需要按照沉管節段接頭施工的方式，將節段接頭連接件的外接頭管1和外接頭管2分別全部預埋在2件混凝土墩塊中，通過內接管將2個接頭管連接組合起來，見圖3。使用密封蓋帽將外接頭管1和外接頭管2兩端進行密封，在澆筑的混凝土墩塊中形成管道內部的密封環境。然后給試驗連接件構件內部施加水壓至0．6 MPa，通過檢測2件混凝土墩塊接縫是否漏水，驗證接縫連接件的水密性。此外，試驗將模擬節段接頭逐漸張開時的節段接頭連接件密封性，張開量從4 mm開始逐漸加大，直至到達16 mm水密性失效的極限張開量。

圖3 節段接頭連接件水密性試驗布置俯視圖Fig.3 Watertight test plan of segment joint connector

水密性試驗共采取2組、4件節段接頭連接件作為試驗樣品。為進一步驗證連接件內接管的水密性，在連接件內內接管的兩端安裝2件O形密封圈產品。為對比試驗遇水膨脹密封帶的作用，試驗中的2組試樣將采用不纏繞遇水膨脹密封帶與纏繞遇水膨脹密封帶。試驗中使用的O形密封圈，均為經過老化試驗后的試件，老化試驗的標準參照橡膠止水帶的老化試驗標準ISO188進行。

圖4 節段接頭連接件水密性樣品Fig.4 Watertight test sample of segment joint connector

2組試驗采用不同的試驗樣品如圖4所示。試驗組件1，使用不纏繞遇水膨脹密封帶的內接管，內接管僅使用經過老化試驗后的O形密封圈。試驗組件2，使用纏繞遇水膨脹密封帶的內接管，內接管使用經過老化試驗后的O形密封圈，與試驗組件1進行對比。2組試驗中，均需要將2塊混凝土墩塊從完全貼緊狀態，至被逐漸拉開一定距離，檢驗連接件內部的水密性效果。

圖5所示的水密性試驗檢驗了4組試驗塊在0．6 MPa水壓作用下是否有漏水。混凝土墩塊1和墩塊2的接縫部位完全貼緊條件下，向接頭連接件通入紅色的試驗用水，將水壓保持為0．6 MPa，分別采用吸水試紙擦拭以及目測的方法檢查持壓1 min、10 min、30 min、60 min節段接頭連接件部位，均沒有發現液體析出或滲漏。

圖5 水密性試驗張開量情況Fig.5 The opening state of watertight test

然后通過墊板調節2個混凝土墩塊之間的間隔4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm，每次調整完之后也分別采用吸水試紙擦拭以及目測的方法檢查持壓1 min、10 min接頭連接件部位，也沒有發現液體析出或滲漏。說明接頭連接件水密性良好，在持荷加壓，甚至階段節段接頭張開量達到16 mm的超極限工況也不會出現滲漏。

3.2 無黏結試驗

將節段接頭連接件外接頭管1和外接頭管2，分別預埋在2組混凝土墩臺內，并通過張拉千斤頂和錨具，對安裝在節段接頭連接件管內預應力筋（已壓漿）進行拉拔，如圖6所示。預應力筋上的拉拔力通過管內的固定端鋼板作用在漿體上，并傳遞給外接頭管1和外接頭管2。由于外接頭管為聚丙烯（PP）材料，其光滑外壁與混凝土無黏結作用，當外接頭管1和外接頭管2受到一定拉拔力后，會在混凝土接觸面上產生滑移，接頭管從混凝土中拔出。

為了試驗不同潤滑條件下的拉拔力，分別在2組試驗中采用：

1）試驗組件1——外接頭管1外表面為光滑聚丙烯塑料表面，并涂抹低黏度潤滑油；

2）試驗組件2——外接頭管2外表面為光滑聚丙烯塑料表面，并涂抹低黏度潤滑油。

圖6 節段接頭連接件無黏性試驗Fig.6 Unbonded test of segment joint connector

由此，驗證設計要求提出的節段接頭連接件預埋進入混凝土后的無黏結性，并對比2組試驗數據，指導現場施工。

試驗了2組試件的無黏結性，結果表明在2～3 MPa拉應力作用下，2試件中的連接件與試件本體會產生豎向位移，當拉應力增大至5 MPa時可將連接件從試件本體中拔出，而在此過程中連接件自身沒有產生變形，說明連接件與混凝土之間無黏結性，試驗結果如表1所示。

表1 節段接頭連接件無黏結性試驗結果Table 1 Unbonded test result of segment joint connector

4 港珠澳沉管隧道應用示范

特殊的地理環境和航運要求，使港珠澳大橋海底隧道成為目前世界上唯一的深埋、大回淤節段式沉管隧道。受基底不均勻沉降、回淤、水壓等因素影響，管節受力不同于常規淺埋隧道。

針對港珠澳大橋深埋沉管隧道半剛性沉管結構體系所面臨的特殊問題，項目總經理部創新性提出半剛性沉管管節方案，通過該方案解決了深埋沉管隧道所面臨的結構穩定、止水、沉降、工期和環保等關鍵性技術問題。同時，自主開發的《沉管隧道結構-基礎設計集成系統》[9]能有效模擬和分析該新型結構形式，并具有分析節段接頭和基礎剛度的非線性特性等功能。

為了實現該深埋沉管隧道半剛性沉管結構體系方案，提出部分無黏結預應力混凝土新結構。其主要特點包括：

1）港珠澳沉管隧道單個管節是由8個22．5 m長的節段組成，由預應力串聯成一個整體并進行浮運安裝。

2）單個節段均是獨立預制，2個節段之間設置節段接頭。節段接頭設置多道止水帶來防水。

3）預應力統籌考慮滿足浮運安裝階段及運營期要求配置，保證浮運安裝階段最不利工況下接頭最小壓應力大于0．3 MPa。

4）運營期在最不利工況下節段接頭處斷面始終保證2～3 MPa壓應力，并利用其產生的摩擦力，提高節段接頭豎向抗剪能力。

5）預應力為永久預應力，僅在節段接頭處采用特殊無黏結構造，即可適應接頭張開的柔性要求，同時約束減小節段接頭張開量，提高止水帶保障能力。

6）預應力度的設置原則是保證在正常使用階段節段接頭全截面受壓且永遠不張開，在地震等極端偶然工況節段接頭僅受拉側通過毫米級微量張開來釋放內力，整個管節結構和節段接頭斷面平均仍然受壓且不影響防水。

7）管節呈現剛性為主還是柔性為主，取決于所配的預應力度，沿隧道縱向可以根據不同的地基、荷載、橫截面配筋等情況分段設置合理的預應力度。

5 結語

本文在有黏結和無黏結兩種預應力混凝土結構形式的基礎上，創新性地提出了一種全新的部分無黏結預應力混凝土結構形式。該結構形式具有以下特點：

1）在正常使用階段節段接頭全截面受壓不張開；偶然工況等極端不利情況下節段接頭在彎矩作用下單側張開來釋放內力，并保證節段接頭不損壞不漏水。該結構在滿足主體結構安全的前提下，能有效減少預應力筋用量，降低造價。

2）部分無黏結預應力混凝土結構是采用有黏結段和無黏結段相互交替布置，僅在跨縫接頭處采用6 m長的無黏結段。通過在節段接頭處采用特殊的節段接頭連接件實現跨縫處的無黏結構造。

3）該結構形式在正常使用階段的預應力度較低且控制在0．6fpk；預應力鋼絞線在最不利工況，其應力不超過 0．75fpk。

4）預應力通常采用后張法灌漿工藝，確保整個預應力結構滿足耐久性要求。

5）通過水密性試驗驗證表明用于永久預應力體系的節段接頭連接件水密性良好，在持續加載0．6 MPa水壓力、節段接頭連接件張開16 mm的超極限工況條件下也不會出現滲漏。

6）通過無黏結性試驗驗證表明用于永久預應力體系的節段接頭連接件與混凝土之間無黏結性，在2～3 MPa拉應力作用下，連接件與混凝土之間會產生相對位移，當拉應力增大至5 MPa時可將連接件從混凝土中拔出，而連接件自身沒有變形。

以上成果已成功應用于港珠澳大橋沉管隧道施工圖設計，并有效支撐了港珠澳沉管隧道半剛性管節結構體系的創新。