裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

武仁文

（廣西益建工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，廣西 防城港 538000）

裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)是近年來新興的一類邊坡防護(hù)技術(shù)，相比于傳統(tǒng)錨索框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有高機(jī)械化、高防護(hù)性、受力穩(wěn)定等獨(dú)特優(yōu)勢，可極大縮短邊坡支護(hù)工程施工工期，提升邊坡防護(hù)技術(shù)水平。當(dāng)前，國內(nèi)外有關(guān)裝配式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的研究較為深入，但在設(shè)計(jì)方法、施工關(guān)鍵技術(shù)等方面仍存在一定缺陷。預(yù)制梁、現(xiàn)澆梁的受力模式存在較大差異，為此需要針對裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力情況展開分析。此外，在裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)等方面尚未形成一個完整的系統(tǒng)理論，對此還需開展深入研究。基于此，本文對裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

1 預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)概述

將平面框架、預(yù)應(yīng)力錨索兩種構(gòu)件按照特定方式組合裝配在一起，利用錨索、框架和邊坡的巖石、土體形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，以錨索、框架、巖石土體間的相互作用共同承受滑坡推力，共同應(yīng)對由邊坡卸荷松弛所產(chǎn)生的巖石壓力，促使邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，此種結(jié)構(gòu)即為預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)。20 世紀(jì)90 年代，預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)被提出并持續(xù)推廣應(yīng)用。當(dāng)前，此種結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用在公路、鐵路等邊坡防護(hù)施工，可有效整治斜坡類自然災(zāi)害[1]。

2 裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力分析

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在八個方面：第一，預(yù)應(yīng)力錨索、框架、邊坡巖石土體之間的相互作用可形成支擋結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力錨索為柔性受力桿，可承受拉力但無法承受壓力，可將已經(jīng)變形、滑坡的巖石、土體看作受壓桿，在此種坡面利用特定強(qiáng)度的框架結(jié)構(gòu)，可形成一個完整的受力體系，共同阻抗邊坡下滑力[2]。第二，此種結(jié)構(gòu)體系可充分利用巖石、土體強(qiáng)度。基于框架轉(zhuǎn)換作用，可將邊坡推力轉(zhuǎn)化為拉力，在預(yù)應(yīng)力錨索作用下可起到穩(wěn)定地形作用。第三，此種結(jié)構(gòu)體系易于同各類抗滑支擋結(jié)構(gòu)組合應(yīng)用。換句話說，預(yù)應(yīng)力錨索框架即可單獨(dú)使用，又可同其他結(jié)構(gòu)何用。第四，此結(jié)構(gòu)體系使用位置較為靈活，可不受地形等條件限制。第五，可有效改善邊坡巖石、土體的受力狀態(tài)。第六，可減少邊坡開挖量，進(jìn)而降低邊坡開外高度，減少邊坡防護(hù)工程對自然斜坡的破壞。第七，該結(jié)構(gòu)體系可同多種植被防護(hù)體系共同應(yīng)用，可同施工周圍環(huán)境融為一體。第八，該結(jié)構(gòu)體系具有施工簡易，施工風(fēng)險低，施工速度快、成本低等特點(diǎn)[3]。

2.2 受力分析

基于預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)的受力特征展開深入分析，進(jìn)一步明確此種結(jié)構(gòu)同現(xiàn)澆式錨索框架結(jié)構(gòu)的受力區(qū)別，具體如下：

在錨固階段，現(xiàn)澆式錨索框架結(jié)構(gòu)的梁體受彎矩作用為：上部承受壓力，下部承受拉力。與之相反，在預(yù)應(yīng)力施加階段，裝配式錨索框架結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力的作用下會促使梁體受壓，同時基于預(yù)應(yīng)力偏心作用，促使梁體彎矩，其彎矩作用為：上部承受拉力，下部承受壓力。在此過程中，預(yù)制梁始終處于壓彎狀態(tài)下，整體變現(xiàn)為向上方隆起。預(yù)制梁在錨固階段，由于受到錨固力作用，促使預(yù)制梁彎矩向下隆起，此時彎矩的隆起方向同預(yù)應(yīng)力施加階段的隆起方向相反。預(yù)應(yīng)力可以消除由于部分錨桿引起的梁體彎矩，促使預(yù)制梁承受的拉應(yīng)力大幅減小，使梁體承載能力和抗裂性得到改善[4]。

3 裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)流程

裝配式預(yù)應(yīng)力框架梁是一種單獨(dú)預(yù)制構(gòu)件，每一塊預(yù)制梁僅能承受一個錨固力的載荷作用，利用錨索可將拉力轉(zhuǎn)化為集中力，并將其作用預(yù)制梁的中心位置，促使預(yù)制梁可承受坡體的反作用力。在此種受力原理及裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)受力特征的基礎(chǔ)上，本文基于前人研究理論，在遵循《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 369-2016 等相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上[5]，依據(jù)二級抗裂構(gòu)件要求，開展裂縫控制。在預(yù)應(yīng)力十字梁中，混凝土的拉伸強(qiáng)度不超過規(guī)定中的混凝土極限承載能力，采用規(guī)范方法對裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)截面、配筋及相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)流程為：

確定滑坡面及巖石、土體參數(shù)→計(jì)算滑坡推力、錨索錨固力→初步擬定預(yù)制梁形式、尺寸→計(jì)算梁體承受彎矩、剪力、變形→依據(jù)抗裂要求、承載力要求設(shè)計(jì)鋼筋、非鋼筋位置及數(shù)量→計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失、有效預(yù)應(yīng)力→承載方基狀態(tài)、施工階段、使用階段驗(yàn)算→滿足驗(yàn)算要求→完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)流程，可將裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程分為三個階段：

階段一：預(yù)制梁內(nèi)力、變形計(jì)算。本文基于預(yù)制梁特點(diǎn)，基于Timoshenko 梁理論，在充分考慮梁體配筋、預(yù)應(yīng)力作用的前提下，可計(jì)算預(yù)制梁承受彎矩、剪力、變形，可為梁體預(yù)應(yīng)力、非預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)計(jì)提供計(jì)算方法及理論依據(jù)。

階段二：基于抗裂要求、承載力要求的預(yù)應(yīng)力、非預(yù)應(yīng)力鋼筋位置及數(shù)量設(shè)計(jì)。需要依據(jù)抗裂要求設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力鋼筋的具體應(yīng)用位置，明確其應(yīng)用數(shù)量。需要依據(jù)裝配式預(yù)制梁的抗彎要求、承載力要求設(shè)計(jì)非預(yù)應(yīng)力鋼筋的具體位置，明確其應(yīng)用數(shù)量。

階段三：預(yù)制梁承載力驗(yàn)算、變形驗(yàn)算。基于預(yù)應(yīng)力損失、鋼筋有效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，需要驗(yàn)算預(yù)制梁承載力極限，正常使用狀態(tài)下的承載極限以及變形狀態(tài)。同時還需要對預(yù)應(yīng)力張力、拉力，吊裝階段預(yù)制梁整個梁體的受力、變形情況加以驗(yàn)算。若驗(yàn)算結(jié)果無法通過，應(yīng)回到流程中的第三步，重新擬定預(yù)制梁形式、尺寸，重新開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

選取A 高速公路向K25+580-K25+5690 段，一側(cè)邊坡作為實(shí)際應(yīng)用案例，二級坡在應(yīng)用預(yù)制十字梁（規(guī)格：5.5m×2.9m）后開展張法施工，具體參數(shù)為：

縱橫梁中心厚度（t）=600mm

梁端部厚度（t）=400mm

截面寬度（b）=400mm

設(shè)計(jì)錨固力（F）=400kN

基于Timoshenko 梁理論的計(jì)算公式，在設(shè)計(jì)錨固力基礎(chǔ)上計(jì)算縱梁分配錨固力，即275kN，得出縱梁最大彎矩=183kN·m，縱梁最大剪力=147kN。橫梁錨固力，即125kN，得出橫梁最大彎矩=44kN·m，橫梁最大剪力=62kN。所選擇的混凝土強(qiáng)度等級為C40，預(yù)應(yīng)力鋼束為φs15.2。根據(jù)上文中提及的裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，依據(jù)抗裂性要求設(shè)計(jì)預(yù)制梁。

4 裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)的施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工工藝流程

待裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法明確后，進(jìn)一步分析其所應(yīng)用的施工關(guān)鍵技術(shù)，具體施工工藝流程：預(yù)制場地選擇、模板加工→安裝→混凝土澆筑→梁體預(yù)應(yīng)力章控、封墻→預(yù)制構(gòu)件吊裝→坡面錨索多次張拉→背襯注漿找平→錨索封墻。

4.2 預(yù)制梁制作

先張法、后張法是預(yù)制梁常用的制作功法。先張法具有用料少這一優(yōu)勢，但此種方法具有極高的模具要求，具有較慢的模具周轉(zhuǎn)效率，同時使用先張法制作預(yù)制梁具有制作周期長、效率低、成品獲得速度慢等缺陷。后張法具有模具周轉(zhuǎn)快、制作周期短、效率高等優(yōu)勢，但也存在用料多這一缺陷。在后張法使用過程中，可選擇兩種混凝土結(jié)構(gòu)，即有黏結(jié)混凝土、無黏結(jié)混凝土，利用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土可持續(xù)簡化施工工藝流程。基于上述分析，在明確兩種預(yù)制梁制作方法優(yōu)缺點(diǎn)的前提下，出于成本、效率等多方面考慮，本文在預(yù)制梁制作過程中選擇應(yīng)用后張法。具體施工方法如下：

4.2.1 預(yù)制梁支模

為了確保工程進(jìn)度和與預(yù)制梁的美觀，采取了磚砌底模、成型側(cè)模組合的施工方法，在鋼筋混凝土強(qiáng)度大于2.5MPa 時，拆掉并移除側(cè)膜，以增加模板利用率。按照圖紙進(jìn)行側(cè)模制作，為了保證工作的順利進(jìn)行，模板使用手工可拆卸的鋁合金模具。底部模具由紅色瓷磚砌成，具體規(guī)格為240mm×150mm×115mm，隨后利用砂漿抹平。

4.2.2 梁體預(yù)應(yīng)力張拉與封錨

鋼束張拉利用張拉力、伸長值雙控方法。首先將鋼束張拉至設(shè)計(jì)張拉力值的10%，記錄一次伸長值。其次，再次將鋼束張拉至設(shè)計(jì)張拉力值的20%，再次記錄一次伸長值，最后將鋼束張拉至設(shè)計(jì)應(yīng)力，記錄最終伸長值。待鋼束張拉至設(shè)計(jì)應(yīng)力時，需要測量兩端的引伸量，得出兩端引伸量相加后的數(shù)值，此數(shù)值最終結(jié)果需同設(shè)計(jì)引伸量保持一致，誤差許可范圍為±6%[6]。

在封錨之前，要切斷鋼絲絞線，切斷時必須采用磨削設(shè)備，禁止采用電弧焊割，鋼絞線切斷點(diǎn)與錨桿外側(cè)端部不應(yīng)少于30mm。在切斷鋼絲絞線后，要進(jìn)行錨穴鑿毛，鑿毛面積不得少于90%，深度不得低于5mm，不能有灰泥。封錨砼必須搗實(shí)、及時抹面、壓光、補(bǔ)水、保溫并在養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行防水處理，可在錨槽外面涂上防水涂料。

4.3 預(yù)制梁吊裝

4.3.1 吊點(diǎn)選擇

預(yù)制十字梁在橫梁兩點(diǎn)吊裝過程中，在縱向梁自重和預(yù)應(yīng)力作用下會引起較大負(fù)彎矩，為此，本文經(jīng)過周密的計(jì)算后，選擇縱梁兩點(diǎn)吊裝施工工藝。預(yù)制一字梁同樣采用兩點(diǎn)吊裝施工工藝，應(yīng)將梁端、錨固點(diǎn)的中線位置設(shè)定為吊裝點(diǎn)位。

4.3.2 確定初始錨固力

在預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁的安裝過程中，首先要確定預(yù)應(yīng)力錨固力，以確保預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁能夠在斜坡上直接進(jìn)行加固。本文所選取的A 高速公路向K25+580-K25+5690一側(cè)坡體巖石層為中風(fēng)化板巖石層，相關(guān)參數(shù)為：

預(yù)制梁、巖體摩擦系數(shù)=0.35

坡率為1:0.75-1:1.00

錨固角度=25°

梁體規(guī)格=5.5m×2.9m

自重=49kN

經(jīng)計(jì)算后得出，在其余參數(shù)不變的前提下，1:1.00 坡率條件下，預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁的初始錨固力需要≥103.5kN，1:0.75 坡率條件下，預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁的初始錨固力需要≥192kN。

4.4 預(yù)制件背襯找平

為確保預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁結(jié)構(gòu)同A 高速公路向K25+580-K25+5690 一側(cè)坡面緊密結(jié)合，在預(yù)制梁與坡面裂縫的封堵上，需要采用膨潤土混合水泥封堵方法。在3d-4d 后開展背襯灌漿施工。

基于本文所選取的施工項(xiàng)目特點(diǎn)，在預(yù)制梁背襯灌漿方式選擇上以重力式為主，需準(zhǔn)備的材料為水、水泥、水玻璃、膨脹劑，每種材料的比例應(yīng)為12:20:3:0.7。將調(diào)配好的漿液順著預(yù)制件預(yù)留注漿孔注入，在整個灌漿過程中需要觀察預(yù)制件作為是否存在漏漿等問題。若發(fā)生漏漿，應(yīng)立刻停止灌漿操作并輔以封堵處理。待預(yù)制件背襯找平施工完畢后，應(yīng)開展坡面錨索張拉、封錨等施工操作，以此來確保預(yù)制件背襯施工的密實(shí)性。

基于上述施工關(guān)鍵技術(shù)，141 片預(yù)制梁的吊裝時間被控制在2.5d 以內(nèi)，采用4 名工人同時施工。預(yù)制件背襯找平時間控制在3.0d 以內(nèi)，同樣應(yīng)用了4 名施工工人。與現(xiàn)澆梁相比，上述施工工藝可極大提高預(yù)制梁的制作效率，降低預(yù)制梁人工成本。

5 結(jié)語

基于裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)的受力特征，本文提出了較為詳盡的裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及流程，將此種設(shè)計(jì)流程應(yīng)用在A 高速公路向K25+580-K25+5690 一側(cè)坡面防護(hù)施工中取得了較為顯著的施工效果。同時，本文依托于A 高速公路向K25+580-K25+5690 一側(cè)坡面防護(hù)施工項(xiàng)目，提出了完整的基于裝配式預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)施工工藝，認(rèn)為預(yù)制梁制作、預(yù)制梁吊裝、預(yù)制件背襯找平是整個施工工藝中的關(guān)鍵技術(shù)。