有黏结后张法预应力技术在工程中的设计应用

罗雪萍

（台州市城乡规划设计研究院，浙江 台州 318000）

有黏结后张法预应力技术在工程中的设计应用

罗雪萍

（台州市城乡规划设计研究院，浙江 台州 318000）

现代工业厂房由于工艺的需要，往往要求有较大的跨度且净高有一定的限制，普通钢筋混凝土结构难以满足。本文通过有黏结后张法预应力在某厂房大跨梁的设计与施工，利用预应力混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力大大高于一般钢筋混凝土结构的特点，解决了大跨度但净高有一定的限制的厂房普通钢筋混凝土结构无法满足问题。

预应力；设计；应用

0 引言

某厂房矩形平面：长×宽=124 m×36 m。总建筑面积为9 593 m2，建筑高度为13.20 m（室外地坪至女儿墙顶），地上2层（边两跨局部3层）、标准层层高为6 m；建筑用途为车间、边两跨为车间办公。车间剖面间图1。

图1 车间剖面

本工程除了边两跨为车间办公外，其余均为由12个8.0 m开间、跨度均为18 m的双跨框架。

1 结构设计

建筑结构形式为框架结构，屋顶为轻钢结构；建筑结构的安全性等级为二级，建筑合理使用年限为50年。本地区抗震设防烈度小于6度，属非抗震设防区。

本工程基本风压值为0.75 kN/m2，基本雪压取0.3 kN/m2，地面粗糙度为B类，楼面恒荷载标准值取4.0 kN/m2，活荷载标准值取4.0 kN/m2。本工程不作抗震设防，结构重要性系数为1.0。

考虑到车间总长120 m，根据混凝土设计规范对伸缩缝设置间距的规定要求，设计考虑在房屋中间设置1条伸缩缝。由于车间的开间和跨度均较大，楼面荷载较重，如采用普通梁，截面需做到400×1 500，挠度和配筋均较大，导致1层净高不能满足车间生产需要。

鉴于以上结构特点，设计采用后张法预应力技术方案，边跨为YKL2、中跨为YKL1，截面尺寸均采用400×1 200，主要楼板尺寸为4 500×8 000，混凝土强度等级C40。预应力筋采用Φs15.2高强低松弛钢绞线，fptk=1 860 MPa，采用两端张拉，非预应力筋采用HRB400级钢筋。预应力梁平面布置图见图2。

图2 预应力梁平面布置

软件采用中国建科院PKPM-SATWE、PKPMPREC软件建模、计算。按照混凝土设计规范要求，经对混凝土构件根据使用条件进行承载力计算及变形、抗裂、裂缝宽度和应力验算等计算和验算，预应力梁索形图及截面设计见图3。

2 施工工艺流程和施工质量控制

后张法预应力技术是指在混凝土达到一定强度的构件在混凝土施工过程中应用锚具将构件永久固定于建筑物之上，保持建筑物结构的稳定性。该种施工方法可分有黏结和无黏结两种。有黏结后张法需要在构件或结构中预留孔道，并在张拉后灌浆。

2.1 施工工艺流程

施工工艺流程，如图4所示。

图3 YKL1（YKL2）预应力索形图

图4 施工工艺流程

2.2 施工质量控制

本工程采用的预应力为Φs15.2高强低松弛钢绞线，其规格及力学性能应符合表1的要求。钢绞线的品种、规格、直径，应符合设计要求及国家标准，应有出厂质量证明书。

2.2.1 预应力筋下料

在施工过程中设计计算预应力筋的设计长度时应考虑曲线长度、弹性回缩、设备、钢材等方面因素，当对拉件结构的钢线使用夹片式和穿心式千斤顶等工具施加于工件两端进行张拉操作时，应使用下式计算预应力筋长度：

式中：L0——构件的孔道长度；

Ll——构件的工作锚长度；

L2——构件的千斤顶长度；

L3——构件的工作锚厚度。

预应力筋的下料应在平整的场地上直线定出下料长度，在将预应力筋做切断处理前，应确保力筋拉直；使用砂轮切割机将力筋切断，禁止使用电弧操作。在操作过程中，应对预应力筋做好区分，利用编束器进行编束，确保本束的几根钢绞线长度一致，钢绞线束端部2.0 m范围内，每0.5 m用22#细扎丝绑扎，其余部分每1 m扎1道。

表1 预应力强度

2.2.2 预留管道敷设

使用普通钢筋绑扎构件时，应对预应力筋管道进行敷设处理。本文中案例选用金属质波纹管作为孔道材料，其质量应符合相应标准的规定。由于预应力钢绞线为8Φs15.2，根据《预应力混凝土用金属波纹管》规定，选用的金属波纹管规格为JBG-75B，即波纹管内径为75 mm，圆管内径与钢带厚度对应关系具体见表2。

表2 圆管内径与钢带厚度对应关系 mm

设计施工图中将管道线路设定在非预应力筋中，按照项目所在地高程分布情况设置马凳钢筋，每隔0.54～0.72 m设置1根钢筋，其允许安装偏差：竖直方向+10 mm，水平方向+20 mm。其中，马凳钢筋直径宜选用10～l2 mm，利用钢丝将马凳钢筋与波纹管连接起来，如下图所示将波纹管绑成曲线形式。该工程采用的连接管长约为200～300 mm，而主管型号应比连接用的金属波纹管小一号，确保连接管和主管接口严密，在接口处缠绕胶带防止管内输液外漏，在预埋管道线路设计施工时，应保持管道顺平，曲线流畅无直角。

在框架梁孔道的设计中，竖直方向上孔道间距应大于孔道直径，水平方向上间距则需大于1.5倍直径距离，孔道外侧用混凝土覆盖作为防护层，底层厚度应大于50 mm，侧厚应大于40 mm。

出气孔的预留位置应离柱边200 mm，孔径为Φ30 mm具体详见图5。

图5 1YKL1/1YKL2预应力梁图

2.2.3 预应力筋穿束

预应力筋穿束的方式可选用逐根穿束和集束穿束两种方式，需根据工程实际施工情况选用。逐根穿束即在敷设管道内将预应力筋一根一根逐个穿入管道内，而集束穿束是指在管道外部将预应力筋扎成一束，最后同时送入敷设管道内部。该工程选用集束穿束方式，在绑扎后的预应力筋端部用胶布扎好减少与波纹管的摩擦阻力，也可采用机械采用协助集束穿入波纹管操作。

2.2.4 端部敷设方式

该工程端部敷设采用“柳州市建筑机械总厂”生产的OVM型群锚体系。

预应力筋在施工时各阶段应注意操作严格按照设计规范、技术标准等内容进行，应有出厂合格证，进入施工现场应按《混凝土结构工程施工及验收规范》的规定进行验收和组装件的静载试验。

预应力筋端部敷设时应保证力筋与锚垫板垂直，设计埋位符合设计规范，工作锚环与锚垫板对中，夹片均匀打紧，外露一致，千斤顶上的工具锚孔与构件端部工作锚孔的孔位排列要一致，千斤顶施力的作用线应和孔道中心线保持一致，确保预应力端部受力均衡。

2.2.5 灌浆管敷设

有黏结预应力管敷设灌浆管道的灌浆孔和排气孔可交换使用。预应力筋敷设完成后，进行灌浆管敷设操作，灌浆管通常设置在孔道曲线上方。灌浆管间距应设置合理，通常小于12 m，确保灌浆在管内流淌顺畅。灌浆管与金属波纹板连接紧密，外部缠绕塑料胶布防止浆液外漏。灌浆管弯折处应高于构件200～300 mm，防止交叉导致灌浆管破损。在灌浆管上部浇捣混凝土操作时分离，应先利用钢筋将灌浆管固定，并将构建与灌浆管绑扎严密，防止中途脱落。

2.2.6 混凝土浇捣

混凝土浇注一般多出现在隐蔽工程施工中，在混凝土浇注完成后应由建设单位、监理单位和施工单位等人员在场，对浇注工程质量进行验收，检查合格后方可进行下一阶段操作。主要工作内容包括以下几方面：

1）验收使用材料是否达标。

2）有黏结预应力筋施工情况与设计图纸是否吻合。

3）波纹管接口处是否牢固，管道是否破损。4）灌浆管和端部敷设方式是否合理。

上述条件均符合标准后，可进行混凝土浇注工作。在浇注过程中应避免预应力筋、端部构件、金属波纹管等发生破损或移位现象，保持预应力筋的束形和锚具的准确位置。混凝土浇捣完毕后，构件侧模宜在预应力张拉前拆除，侧模拆除后，当发现构件的固定端或张拉端处有破损或质量不达标时，应对构件破损处进行处理，达到张拉标准后方可进行张拉操作。

2.2.7 预应力筋张拉

根据设计采用的锚夹具和张拉吨位选定配套的千斤顶及油泵、压力表等。预应力筋束张拉力一般为设备额定张拉力的50%～80%。

该工程预应力筋张拉力应设定为1 340 MPa，当混凝土强度达到设计标准后方可进行张拉操作，控制张拉速度，一次性张拉103%控制应力后锚固。

预应力筋的张拉方法根据设计要求采取两端同时进行张拉操作。各结构张拉力度应一致、均匀、对称。

当采用集束穿束时同一束预应力筋，应选用同吨位千斤顶进行张拉操作，确保预应力筋受力均匀；而采用逐根穿束方式时，应采用小吨位千斤顶一次对每根钢筋进行张拉操作。

具体过程如下：

该工程预应力筋张拉操作采用双控法，即在预应力筋两端施加控制应力进行张拉操作，以预应力筋伸长长度作为校核因素。

预应力筋伸长量可按照下式计算：

式中：Np——预应力筋平均张拉力，两端张拉力和孔道内摩擦力差值；

LT——预应力筋长度；

AP——预应力筋横截面面积；

ES——预应力筋弹性模量。

计算预应力筋实际伸长量时，可按照下式进行计算：

式中：ΔL1——施加应力后预应力筋实测伸长量；

ΔL2——施加应力前，预应力筋的长度值，可根据预应力筋弹性范围内，伸长量与应力间的关系推算得出；

ΔLc——施加预应力后，预应力筋和锚具楔内缩值，初应力一般为0.10～0.15σcon。

预应力筋张拉伸长量应控制在理论伸长允许范围偏差的±6%以内，伸长量不应超出允许范围，若超出应立刻采取调整措施确保预应力筋达到标准。

该工程设计中采用103%张拉应力，拉伸后进行锚固，具体操作工程如下：

0→初应力→1.03σcon（5 min）→σcon（锚固）

2.2.8 后张有黏结预应力孔道灌浆操作

在向孔道灌浆过程中先打通灌浆孔，并用清水清洗孔口部位，确保灌浆孔清洁干净，保证浆液顺利流淌。

该工程中选用42.5等级普通硅酸盐水泥作为灌浆用浆液，按照水泥和水0.4～0.45的比例拌和水泥浆液，搅拌后3 h泌水率在2%内方可进行灌浆操作。

灌浆过程中，应不断搅拌水泥浆液，防止浆液凝固堵塞孔口。

2.2.9 预应力端部封锚

灌浆完成后应使用砂轮切割机将预应力筋两端多余部分切掉，端部预应力筋外漏长度应大于直径的1.5倍，但不得小于30 mm，将锚具外部用混凝土涂刷，并冲洗干净，再在锚具外部和外漏钢筋处进行胶封，胶封后用混凝土封闭作为保护层，保护层厚度应大于50 mm。

2.2.10 拆模和落架

在进行拆模操作时，若对构件底模无设计要求，可在预应力筋强度达到15 MPa后将膜具拆除，同时进行落架操作，落架时应由中间向两端依次拆除。

2.2.11 施工中存在的问题及处理措施

1）预应力筋在张拉过程中可能由于施加应力过大发生断裂，因此，在集束拉伸时拉伸预应力筋数量应小于钢筋总数的3%，每束预应力钢筋中钢丝最多为一根，多跨板和密肋梁应先退出锚具，再根据预应力筋情况换锚具，若预应力筋出现断丝，应在锚具中添加假丝或者其他辅助工具，以增强预应力筋的张拉承受力，达到张拉要求。

2）在张拉预应力筋时若构件拉伸端出现破损时，应立刻退锚，用混凝土对破损处进行处理修复，当修复完成后并达到拉伸标准时，再进行拉伸操作。

3）在混凝土浇注时当发生孔口堵塞等现象，导致混凝土浇注异常时，应凿开构件清楚阻塞，清理完成后，再进行浇注与拉伸。

3 结语

本工程竣工并投入使用已有一年，车间的空间效果、楼盖整体使用良好。通过本工程的实践应用，可以得出以下几点：

1）对较大跨度但净高有一定限制的工程，可以采用预应力技术来解决。

2）随着我国建筑施工技术的不断发展，预应力筋操作技术已取得相当成熟的施工工艺，积累丰富的工程经验，是指导后续施工操作的技术关键。

3）该工程实例可知，预应力在建筑设计中发挥巨大作用，但目前，预应力设计过程还存在许多亟待解决的问题，在建筑设计领域中具有巨大的发展空间。

[1]GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[2]中国建筑科学研究院建研科技股份PKPM-SATWE、PREC（2010版）软件.

[3]JG 225—2007，预应力混凝土用金属波纹管[S].

[4]GB/T 5224—2003，预应力混凝土用钢绞线[S].

[5]中国建筑工业出版社.建筑施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

TU378

A

1673-1093（2015）02-0088-05

罗雪萍（1971），女，浙江台州人，高级工程师，就职于台州市城乡规划设计研究院，研究方向：结构设计。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.02.023

2014-12-01；

2014-12-05