軌道交通上蓋車輛基地超長蓋板預應力技術探析

文／任斯慧、霍奇 西安市軌道交通集團有限公司建設分公司 陜西西安 710021

安龍 中鐵二十二局集團軌道工程有限公司 北京 100043

鄭江 西安建筑科技大學土木工程學院 陜西西安 710055

引言：

上蓋開發車輛基地蓋板面積一般較大，單邊長度通常在200m 以上，因此，超長混凝土結構是上蓋開發車輛基地的一個典型特色。適當加大伸縮縫的設置間距，有利于優化建筑空間，有利于結構防水，但易引起超長混凝土蓋板溫度收縮等問題，需采取一種合理且經濟的技術手段解決，即預應力結構技術的應用[1]。本文按照從理論到實際的思路，先對軌道交通上蓋車輛基地超長蓋板預應力進行了技術分析及項目應用分析。

1.軌道交通上蓋車輛基地超長蓋板預應力技術分析

1.1 預應力技術選型

在工程實際中，預應力一般分為三種類型，分別為有粘結預應力、無粘結預應力、緩粘結預應力。其中有粘結預應力施工工藝繁瑣、質量不易控制，無粘結預應力粘結錨固性差、抗震性能不足，緩粘結預應力結構性能優異、符合抗震要求、施工工藝簡單、質量易于控制。具體來說，當結構因超長、溫差、嚴控變形等工況采用預應力技術方案時，應優先選用無粘結或緩粘結預應力技術[2]；當結構因強度控制、后續改造加固需局部開洞、抽柱等采用預應力技術方案時，應優先選用緩粘結預應力技術，其次也可選用有粘結預應力技術；條件嚴重受限而不得不采用預應力技術方案時，可選用無粘結預應力技術；當梁柱節點鋼筋密集，群錨布置困難或結構使用環境腐蝕性較強時，應采用緩粘結預應力。

1.2 緩粘結預應力技術選型

當項目確定采用緩粘結預應力技術方案時，應綜合考慮項目的地域、季節、功能及相關施工特點確定緩粘結預應力鋼絞線的標準張拉適用期及對應的標準固化期[3]。考慮溫度因素是因為環境溫度等因素對張拉適用期有顯著影響，因此應標注實際張拉適用期及實際固化期。不同粘合劑類型及技術種類對應的適用環境及固化期不同，通常按照以下步驟進行設計。

步驟1：根據基本屬性要求確定梁垮截面的長寬高數據及角度值；

步驟2：確定混凝土強度等級，確定預應力筋信息；

步驟3：根據普通鋼筋計算配筋；

步驟4：進行跨梁反拱計算；

步驟5：進行梁撓度計算及裂縫寬度計算。

1.3 緩粘結預應力筋規格選型

大直徑鋼絞線肋高更高，粘結錨固性能更好。大直徑鋼絞線配筋根數更少，施工工作量減小，施工周期更短。由于絕大部分軌道交通上蓋車輛基地超長蓋板厚度一般大于150mm，因此應選擇相應的溫度應力筋，實踐中一般選擇使用17.8mm 或者21.8mm 的預應力筋。采用大直徑預應力筋可以有效減少預應力筋根數和綜合矢高。比如選擇使用17.8mm 直徑預應力筋的情況下，截面積為191mm2，配筋30cm2，需要的配筋數量為16 根，綜合矢高為225mm[4]。

1.4 緩粘結預應力鋼絞線成束布置

緩粘結預應力鋼絞線每束之間的豎向距離保持在不小于1.5 倍的dp，dp 為緩粘結預應力鋼絞線的等效外徑。《緩粘結預應力混凝土結構技術規程》 JGJ387-2017第6.2.7 條有明確說明。水平間距要同時滿足不少于2 倍的dp，不小于1.25 倍的粗骨料直徑，不小于80mm 三個條件。

2.軌道交通上蓋車輛基地超長蓋板預應力技術要點分析

2.1 重要參數的計算技術

2.1.1 抗彎強度設計值計算

有粘結、無粘結及緩粘結預應力混凝土的設計步驟基本相同，僅在一些參數的取值或計算公式上存在差別，反映在預應力混凝土抗彎強度設計值計算、裂縫寬度計算、預應力損失計算的公式中。對于有粘結預應力的計算，直接設定抗拉強度為1320MPa；對于無粘結預應力的計算，在預應力有效值的基礎上增加一個基量；對于緩粘結預應力的計算，本著達到有粘貼功能即可，因此和有粘結預應力一樣，直接設定抗拉強度為1320MPa[2]。

2.1.2 裂縫寬度標準

預應力混凝土結構的裂縫控制，應遵循《預應力混凝土設計規范》JGJ369-2016。

無粘結和緩粘結預應力混凝土的裂縫控制等級，應根據環境類別確定。二b 和三類環境中不允許開裂。二a 類環境類別允許裂縫寬度0.1mm，一類環境類別允許裂縫寬度0.2mm。無粘結因只控制超長結構的溫度應力，裂縫不做單獨控制驗算，按普通混凝土結構設計標準控制。

2.2 預應力損失計算

有粘結、無粘結及緩粘結預應力損失的計算公式相同，區別主要體現在預應力筋張拉時的摩擦系數取值上。緩粘結預應力筋因為緩凝粘合劑的存在，其摩擦系數與無粘結相當。

2.3 預應力度的概念

預應力度是在構件采用部分預應力時引入的概念，即預應力筋與普通鋼筋的配置比例關系問題。采用預應力筋和普通鋼筋混合配筋的部分預應力混凝土，有利于改善裂縫和提高能量消散能力，可改善預應力混凝土結構的抗震性能。根據《預應力混凝土結構抗震設計規程》采用預應力鋼筋時，在一級抗震等級要求下，預應力強度比λ 不大于0.75；在二三四級抗震等級要求下，預應力強度比λ 不大于0.80；采用無粘貼預應力纖維增強符合材料筋時，在二三四級抗震等級要求下，預應力強度比λ 不大于0.50。

3.軌道交通上蓋車輛基地超長蓋板預應力技術應用分析

3.1 項目概況

以西安長鳴路車輛段為例。長鳴路車輛段南北向總長約1036m，東西向寬度約399m。E2 和F1 上預留3 層學校。G、H 和J 區上預留一層小汽車庫和10 左右層住宅。首層蓋板設置結構縫，結構單元平均邊長在150m 左右。平面布置如圖1 所示

圖1 長鳴車輛段分區示意圖

3.2 計算步驟

3.2.1 考慮溫度應力的必要性

混凝土結構設計規范（GB50010-2010）8.1 條規定室內或土中混凝土框架結構的最大長度為55m，否則應設伸縮縫。故樓面梁、板的設計需考慮溫度應力的不利影響。

3.2.2 溫差的確定

（1）計算分析

本項目決定采用無粘結預應力技術解決本工程的超長不設縫的問題。

經大量工程經驗得知，最不利溫差發生在結構施工階段，進入裝修和使用階段（結構上部覆土后），溫差趨向平緩。

本項目考慮整體溫差變化的作用。在施工階段，認為結構在大氣中溫度均勻，結構隨大氣溫度變化而變化；在使用階段，地下部分回填，因大地溫度變化較小，近似恒溫，因此可認為地下部分結構溫度保持恒定，可不考慮溫度作用的影響。

因后澆帶間距36-45m，不考慮后澆帶閉合前各單元的溫度應力。

（2）溫度作用取值

溫度降低引起結構收縮，對于樓板產生拉應力。減小溫度梯度，是減小溫度應力最有效的途徑。

季節溫差

季節溫差是指混凝土澆筑成形階段的施工溫度（對于設有后澆帶的取后澆帶封堵時的溫度，即合攏溫度）與后期各個階段溫度的差值。具體可按下式計算：

式中：Tmax為最高月平均溫度；

Tmin為最低月平均溫度；

T0為初始溫度（后澆帶閉合時的合攏溫度）；

根據西安市基本氣候情況資料統計得知：西安市平均最高溫度37.0℃；西安市平均最低溫度-9.0℃。合攏溫度暫定10～15℃。施工階段；正常使用階段（最不利季節溫差）

混凝土收縮當量溫差

混凝土內部的水分蒸發可引起混凝土體積收縮。這種收縮過程是由表及里逐步發展的，混凝土結硬初期發展較快，二周可完成全部收縮的1/4，3 個月～6 個月完成60～80%，以后增長緩慢，一般兩年后趨于穩定。當混凝土內部溫度不均勻時，混凝土變形也不均勻，而且內部產生的應力導致混凝土開裂。

因此，在計算混凝土的溫度應力時必須考慮這個收縮因素。為了方便計算，將收縮變形值換算成“收縮當量溫差”。即將收縮產生的變形折算成引起混凝土相同變形所需的溫度。依據《工程結構裂縫控制》混凝土收縮變形可由下式計算：

t 為齡期，為天為單位；t 取值60d。

M為考慮各種非標準條件的修正系數（表1）；計算值M=0.767，本工程暫取值0.80。

表1 修正系數

本工程留設后澆帶，在后澆帶未澆注之前，超長板可視為一種能接近于自由變形的構件，后澆帶在主體結構澆筑完畢2 個月以后澆注，可認為收縮變形中已完成36%的自由變形，殘余應變ε2=0.64ε=2.07×10-4 才在結構中產生拉應力。混凝土的線膨脹系數為α=1×10-5/℃，收縮當量溫差ΔTc=ε2/α=20.7℃。

綜合溫差

實際計算框架結構的溫度效應時，還應考慮剛度折減系數和松弛系數。

①剛度折減系數。因混凝土材料的彈塑性，混凝土結構在荷載作用下，應當考慮混凝土塑性及裂縫的影響，梁柱的抗彎剛度應乘以一個折減系數，本工程取0.85。

②松弛系數。季節溫差是一個長期緩慢的作用過程，是與時間有關的變量，因此必須考慮徐變的影響。按彈性計算的溫差應力應乘以徐變應力的松弛系數來修正應力計算值。松弛系數H(t，π)=0.3～0.5，本工程取0.4。由于結構計算按彈性連續假定，為計算方便，可先將上述溫差乘以剛度折減系數和松弛系數作為計算綜合溫差，再進行結構的彈性分析。

故本工程最不利溫差：

3.3 有限元模型建模

結構采用盈建科YJKS3.1.1 有限元前處理軟件建立模型，如圖2 所示。梁板混凝土為C40，柱混凝土為C40～C60。

圖2 有限元前處理軟件建立模型

樓板配筋為普通鋼筋+預應力鋼筋組合。將溫度應力工況獨立出來，單獨計算。根據計算結果，讀取蓋板在溫度荷載作用下的應力，通過預應力鋼筋解決。樓板的普通鋼筋不考慮溫度應力。

3.4 預應力的影響計算方法

G2 及J 區溫度應力計算：

（1）設計參數

輸入溫度荷載。

（2）計算取值

依據計算結果，梁、板中橫向建立2.2 MPa 壓應力，豎向建立1.6 MPa 壓應力。

（3）材料參數

采用無粘結預應力筋。

fptk=1860MPa，D=15.2mm

Ap=140mm2

σcon=0.75fptk=0.75×1860=1395MPa

σs=1395×0.70=976.5MPa（預應力損失按30%計算）

單根預應力筋張拉后的拉力

Np=976.5×140=136710N。

（4）配筋計算

①橫向板厚h=250mm

取1m 寬板壓應力為2.2MPa 計算板中壓力Ns

Ns=1000×250×2.2=550000N

每米板范圍內預應力筋根數

n=550000/136710=4.02（根），實際配置4 根。

②豎向板厚h=250mm

豎向取1m 寬板壓應力為1.6MPa 計算板中壓力Ns

Ns=1000×250×1.6=400000N

每米板范圍內預應力筋根數

n=400000/136710=2.93（根），實際配置3 根。

③橫向梁

梁內壓應力為2.2MPa

梁截面900×1500

Ns=900×1500×2.2=2970000N

梁內預應力筋根數n=2970000/136710=21.7（根），實際配置20 根。

梁截面500×800

Ns=500×800×2.2=880000N

梁內預應力筋根數n=880000/136710=6.45（根），實際配置8 根。

④豎向梁

梁內壓應力為1.6MPa

梁截面1400×1700

Ns=1400×1700×1.6=3808000N

梁內預應力筋根數n=3808000/136710=27.8（根），實際配置24 根。

梁截面500×800

Ns=500×800×1.6=640000N

梁內預應力筋根數n=936000/136710=4.68（根），實際配置6 根。

結語：

本文按照理論聯系實際的思路，對軌道交通上蓋車輛基地超長蓋板預應力技術要點進行了著重論述，以西安長鳴路車輛段在建項目為例，進行了預應力計算的應用分析。在下步的研究工作中，著重需要做好以下三個方面工作。一是選取更多在建項目進行實例分析。二是針對三種不同預應力特點，分別對計算問題進行研究。三是進一步提升計算方法的準確度與快捷性。總體上來看，本文研究方法正確，提出的算法性能優異，具有良好的應用前景。