无粘结预应力技术在超长曲线结构中的应用研究

徐 勇

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

0 引言

早在20世纪50年代，我国就开始引进预应力混凝土技术，并就该技术开展相关的研究。目前，对预应力混凝土的认识，主要有以下3种[1]：①预应力将混凝土由脆性材料变成弹性材料，即认为在预应力作用下，钢筋混凝土的混凝土性能被改变；②预应力使混凝土与高强钢筋或钢绞线共同工作，即通过预应力使高强材料得到充分应用；③预应力用于平衡荷载，以抵抗全部或者部分工作荷载。

通过在结构中应用预应力技术，能够改善结构性能，达到延缓裂缝出现，并有效降低较大荷载作用下结构的裂缝宽度及挠度，以及提升跨越空间等效果[2-4]。随着预应力混凝土技术的应用推广，不少学者针对预应力梁体理论分析进行研究，提出相应的预应力计算公式和有限元迭代分析计算方法[5-6]。

根据预应力筋的设置方式，预应力混凝土可分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土两种[7]。当前在国内，无粘结预应力混凝土技术的应用与研究，主要集中在桥梁及房屋建筑中，但在超长连续曲线预应力露天结构中的应用还比较少[8]。本文以福建省大学生体育馆为例，通过对无粘结预应力技术在超长结构中的设计与施工进行分析，为今后该项技术在超长结构中的应用提供参考。

1 工程概况

福建省大学生体育馆，位于福州地区大学城新区。该体育场馆由东西南北4个区组成，东西区长度超过210.00m，南北区长度超过100.00m，主体建筑面积约24 856.00m2(不计观众席与比赛场地)，是一个甲级体育场，能同时容纳24 000多名观众，设有8道400m跑道标准足球场等运动场地，可承办全国性体育比赛以及田径和足球单项的国际性比赛，体育场的俯瞰图，如图1所示。

该大学生体育场看台，属于超长结构且厚度仅有60.00，混凝土浇筑过程中易造成散热过快而导致开裂。同时，又由于看台是露天结构，温度变化比较大，较大的温差易造成混凝土因收缩膨胀产生裂缝。如何有效控制该工程项目在混凝土浇筑施工期间和施工结束后结构不开裂，以及后期使用看台不渗漏，是该工程的重点难点。

鉴于该工程中的诸多困难，考虑到预应力混凝土对结构的裂缝和挠度有很好的控制作用及工程特性，因此，该工程结构设计采用无粘结预应力混凝土技术。

图1 体育场俯瞰图

2 预应力结构设计

2.1 预应力筋计算

通常对预应力结构进行设计时，需参照《混凝土结构设计规范》[9]和《无粘结预应力混凝土结构技术规程》[10]的相关规定，对预应力构件进行正常使用极限状态和承载能力极限状态计算。该工程中的超长曲线看台，设置预应力筋，主要是为了承担混凝土结构因温度差产生的应力，故在对预应力计算确定预应力筋数量时，直接参照直线布筋形式的截面假定进行计算。预应力结构面板截面如图2所示，按下式计算。

式中，σ0——预压控制应力；

Fp——预应力筋作用在混凝土受压面积上的压力；

A阴影——混凝土面板受压面积；

σp——预应力筋产生的有效应力；

Ap——预应力筋的计算面积。

图2 预应力面板截面图

2.2 预应力筋布置原则

在该工程中，因结构混凝土面板的面积比梁大得多，面板上的温度效应相对更明显，因此，预应力筋主要考虑布置在面板中。预应力筋在面板中，可以按照横向等间距布置，当在某个截面处预应力筋间距过小时，可将其中的2～3根预应力筋组合成一束进行布置，以满足方便施工的要求。

当部分板开洞较大不适宜布置预应力筋时，可将计算得到面板中的预应力筋，均匀分配到板两侧的梁内。为避免梁内的预应力筋造成偏压力，产生附加弯矩，预应力筋宜靠近梁的中和轴，上下左右对称布置。

2.3 预应力筋张拉原则

按照《无粘结预应力混凝土结构技术规程》中规定[10]：“当无粘结预应力筋长度大于30.00m但不超过60.00m时，应当采用两端张拉；当预应力筋长度不低于60.00m时，宜采用分段张拉锚固。但当有工程经验和可靠的设计依据时，无粘结预应力筋的长度可不受此限制。”

该工程施加预应力，主要是为了提升结构的抗震能力和抗裂性能，考虑到结构形式为超长曲线型混凝土结构，可根据结构的平面特点，采用分段布置预应力筋，分段张拉的原则进行。

3 施工关键技术分析

3.1 无粘结预应力筋的布置

当普通钢筋绑扎完毕后，铺设预应力筋。在无粘结应力筋铺设前，先在梁的箍筋上标定预应力筋曲线坐标位置，然后将支托焊接在箍筋上。钢筋支托的布置间距控制在1m～1.5m，支托直径一般取8mm，在每个反弯点处设一个支托。预应力筋的搭接设在梁支座处。为避免预应力筋张拉过程中在混凝土结构看台的同一截面上产生裂缝，相邻两根梁预应力筋的张拉端错开0.50mm布置。当安装无粘结束时，如发现塑料套管局部有破损，及时用胶带进行修补。在绑扎无粘结预应力筋时，通过钢筋支托有效的支撑，避免预应力筋在浇筑混凝土时不发生错位和移位。同时，在绑扎过程中，保证预应力筋水平顺直以及相应的圆弧度，并控制好间距。所有工作完成后，进行自检专检及隐蔽验收工作。

3.2 混凝土浇筑施工

无粘结预应力筋及普通钢筋均布置结束，并在验收合格之后，开始混凝土浇筑施工。混凝土浇筑施工过程中，为保证无粘结预应力筋的位置和标高不受影响，以保障预应力混凝土的浇筑质量，浇筑振捣过程中严禁对预应力筋钢筋支托以及预埋锚固件进行挤压或碰撞。同时，充分振捣在张拉和锚固处的混凝土，避免因振捣不足导致蜂窝麻面。最后，依据规范要求制备混凝土试块，用于检测混凝土强度。

3.3 无粘结预应力张拉

根据设计要求，预应力筋设计采用变角张拉，变角张拉施工如图3所示。预应力筋的下料长度包括实际结构所需预应力筋长以及变角块厚度。当混凝土的强度达到设计要求的张拉强度时(可通过相同条件下养护的试块来判别)，进行预应力钢绞线的张拉施工。在张拉施工前，对张拉设备进行校验，并将张拉端的穴模清理干净。该项目工程预应力筋的张拉设计采用超张拉，设计控制张拉应力为预应力筋强度的70%，这样可以很大程度上降低预应力的松弛损失。对于超长预应力钢绞线的张拉，张拉力以控制应力为主，对应钢绞线的伸长值用作校核。预应力筋张拉所采用的液压千斤顶的张拉行程，一般为15cm～20cm，对较长的预应力钢绞线，其张拉伸长值会超过千斤顶一次行程，必须分级张拉，分级锚固。张拉施工程序为:0→0.1σcon→1.03σcon锚固，同时，可以分级加载，分级测量伸长量。每一束无粘结预应力钢绞线的张拉，均应进行应力值和伸长值得双控，张拉伸长值和理论计算值允许误差为+6%～-6%。如超出范围，须查明原因采取措施。

图3 变角张拉示意图

3.4 张拉端封堵

无粘结预应力钢绞线张拉施工结束经检查合格后，即对张拉锚固端进行封堵。封堵前，将多余的钢绞线用砂轮锯切割，严禁采用熔断的方式进行切割，并控制切割后的预应力钢绞线外露长度距锚具夹片的距离约30.00mm。然后，清理穴口，按规范要求用防腐材料涂刷锚具并进行防水处理。最后，采用比原结构的混凝土高一等级的内掺膨胀剂的细石混凝土进行浇筑封堵。

4 施工注意事项

(1)无粘结预应力施工所需要的材料(主要是无粘结束和锚具)均应有出厂合格证明，并根据有关规范的要求进行材料进场抽检。施工单位应在施工前，组建专门的施工作业队伍，对其进行相关教育以充分理解施工图纸，同时针对预应力部分的施工制定专项的施工方案。

(2)对于看台部分，梁截面通常为弧形，且梁宽度均不超过250mm，由于梁宽较小，梁内的无粘结预应力筋安装应尽可能布置在梁中心位置，避免无粘结束安装偏离中间位置，离梁侧过近，张拉施工时造成局部混凝土劈裂。

(3)该工程东西看台的柱子采用劲性混凝土，无粘结预应力束穿过柱子的位置，应在钢柱处事先预留可以穿过预应力束的小孔。同时，避免预应力钢绞线与钢板存在切角，以免张拉时预应力束易断丝甚至断束。

5 结语

通过采用无粘结预应力技术，解决了超长曲线结构的温度应力问题，提高了混凝土抗裂性能。针对后张拉无粘结预应力技术在超长曲线型结构中应用的特殊性，主要将预应力筋布置在混凝土板中，并采用短布筋分段张拉的原则进行张拉。