麦芽塔三向预应力圆板结构设计与施工

周列武 王江勇

(中国轻工业武汉设计工程有限责任公司，湖北 武汉 430060)

1 工程概况

某制麦车间由两个内径29.90 m的圆筒形制麦塔与工作辅楼组成，如图1所示。麦芽塔总高度为65 m，分为两层干燥炉，四层发芽箱，一层锥底浸麦层及屋面暂存仓。干燥炉与发芽箱层高均为9.800 m，锥底浸麦层层高7.000 m。制麦塔发芽箱与干燥炉均采用内径为29.900 m预应力无梁楼盖，锥浸层及屋面暂存仓层采用预应力正交梁板结构。

制麦车间主体结构采用框架剪力墙结构，混凝土强度等级均取为C50。除工艺生产所必须的进风、排风、排潮口外，圆板周边均设置平均厚度约为600 mm的圆筒状剪力墙，主要结构平面如图2 所示。由于麦芽塔生产工艺的特点，干燥炉工作环境温度最高约为90 ℃；发芽箱工作温度约为16 ℃，相对湿度约为100%。本工程采用预应力技术来增加楼面结构的刚度，以满足结构安全性、耐久性的要求，同时达到减小层高，提高经济性的目的。

2 三向预应力圆板结构设计

制麦车间存在层高高、塔壁薄、板厚小、楼面荷载大、工作环境恶劣的特点。塔壁、圆板等构件的受力复杂，计算模型的选取直接决定了计算结果的合理性及准确性[1]。在本工程设计过程中，不仅要分析结构在外荷载作用下的内力、变形分布规律，同时要考虑温度等外在条件对材料性能、结构内力的影响。

2.1 预应力圆板模型的选取

根据工艺厂家的提资要求，制麦车间干燥炉楼面荷载约为12 kN/m2，发芽箱板面荷载约为23 kN/m2。在正常工作下，一层发芽箱的物料经物料输送系统传送至两层干燥炉内进行干燥，每层干燥炉楼面荷载为发芽箱荷载的1/2。当设备出现故障时，不排除将单层发芽箱的物料全部输送至某一层干燥炉。因干燥炉可能出现楼面荷载等于发芽箱的情况，在圆板及塔壁设计过程中，将发芽箱与干燥炉的楼面荷载均取为23 kN/m2，其中设备荷载约为15 kN/m2，物料荷载约为8 kN/m2。

圆板荷载较大，在设计过程中将板厚按直径的1/40取值。工作温度、湿度对圆板的受力性能有着较大影响，为确保预应力圆板的安全性及耐久性，本工程圆板裂缝控制等级按二级[2,3]。经过对比试算，圆板厚度定为800 mm。圆板采用中心对称的三向布置钢绞线形式，钢绞线直径为15.2 mm，极限抗拉强度为1 860 MPa低松弛预应力钢绞线，见图3。此布线方式能更接近圆形楼板平面外弯矩的分布特点，并能最大程度的增大圆板刚度。

对塔壁、圆板进行内力分析，其弯矩分布如图4所示。在重力荷载作用下，圆筒形塔壁平面外的弯矩在塔壁与楼板相交处达到峰值，然后因圆柱壳内力传递规律而迅速衰减，因塔壁与圆板交接处应力、变形集中，受力复杂，在设计过程中根据塔壁弯矩分布采取加腋处理，如图5所示。因塔壁的反弯点位于层高中点位置。在圆板计算时，可取上下楼层各1/2层高墙体作为圆板的边界约束，且将侧壁自由端设置为铰接，如图6所示。简化模型内力分布规律如图7所示，对比多层模型与简化模型塔壁与圆板在重力荷载作用下的内力分析结果表明：多层模型与简化模型计算的塔壁与圆板的内力分布规律基本一致，且塔壁平面外弯矩及圆板弯矩最大值误差小于5%，可采用简化模型进行圆板设计。

2.2 预应力圆板内力、变形计算

三向预应力圆板在受力分析时主要考虑如下荷载工况：构件自重(含装修面层)、设备荷载、物料荷载、温度作用、预应力、混凝土收缩和徐变。由于干燥炉生产的最高温度为90 ℃，在设计过程中，不仅要考虑季节变化引起的整体结构热胀冷缩，同时要考虑构件内外表面的温度梯度，避免因温度梯度引起构件曲率变化导致塔壁、圆板内力计算产生误差。本工程在温度计算时，温度差的取值为60 ℃。

在标准组合作用下，圆板上表面在塔壁与圆板交接处的主拉应力为0.88 MPa，主压应力区呈环形分布，最大主压应力为4.98 MPa，如图8a)所示；板底应力也呈环形分布，最大主压应力为2.99 MPa，主拉应力为1.22 MPa，如图8b)所示。计算结果表明，三向预应力圆板满足裂缝等级为二级的混凝土主拉、压应力的控制要求。

在标准组合作用下，圆板结构最大位移约为11.8 mm，如图8c)所示。在长期荷载效应作用下，受弯构件的长期刚度按式(1)进行计算：

(1)

由此可得：Bl=0.472Bs，在上期荷载效应组合下，圆板的中心挠度为25 mm。

在进行构件配筋设计时，荷载组合采用基本组合。虽然主应力等值线图是结构截面配筋的依据，但存在根据主拉应力等值线图难以判断出主拉应力方向的问题。本工程为便于非预应力筋的施工，板底非预应力筋采用正交布置，这就导致主应力方向与非预应力筋布置方向不一致。本工程圆板参考相关文献[4]～[6]建议采用正应力法进行板底配筋。

根据《水工结构设计规范》附录D所述弹性应力配筋方法[7]:当截面在配筋方向的正应力图形偏离线性较大时，受拉钢筋截面面积应符合式(2)的规定：

(2)

其中，T为由荷载设计值确定的主拉应力在配筋方向上形成的总拉力，T=A×b，此处A为截面主拉应力在配筋方向上投影图形的总面积，b为结构的截面宽度；Tc为混凝土承担的拉力，Tc=Act×b，Act为截面主拉应力在配筋方向上投影图形中拉应力值小于混凝土轴心抗拉强度设计值ft得图形面积，如图9所示；γd为钢筋混凝土结构的结构系数。

在式(2)计算配筋过程中，混凝土承担的拉力值Tc不宜大于总拉力值的30%。当弹性应力图形中受拉区的高度大于结构截面高度的2/3时，取Tc=0。当配筋主要为了承载力且结构具有较明显的弯曲破坏特征时，可集中配置在受拉区边缘。本工程根据此方法进行板底配筋计算。受拉钢筋计算面积As=3 924 mm2，配筋取为25@100。

圆板顶面非预应力筋沿着圆板径向布置，根据计算结果，圆板与塔壁交接处在基本荷载组合作用下，板面负弯矩为486 kN/m2，故板面支座配筋为22@150，满足计算要求。圆板非预应力筋布置如图10所示。

3 三向预应力圆板施工

3.1 预应力圆板施工阶段验算

在对三向预应力圆板进行施工阶段验算时，根据圆板的实际受荷情况，仅考虑圆板自重以及预应力作用，预应力损失及混凝土收缩按《混凝土结构设计规范》执行。经计算，在预应力筋张拉完成后，圆板出现轻微上拱，最大反拱位移为0.8 mm，位移如图11c)所示，圆板中心工艺孔板面出现拉应力，最大主拉应力约为1.98 MPa，如图11a)所示。在圆板底部，圆板与侧壁交接处出现拉应力，最大主拉应力约为1.21 MPa，如图11b)所示。即在施工过程中，圆板主拉应力均小于混凝土抗拉强度标准值，故圆板在施工阶段满足规范对不允许出现裂缝的构件的混凝土拉应力要求。

3.2 施工流程

预应力筋下料→支圆板底模→铺设非预应力底筋→安装钢绞线矢高控制点马凳筋→铺设扁形波纹管，设置排气孔→穿预应力钢绞线→安装锚具及灌浆孔→设置预应力反向压筋→铺设上层非预应力筋→安装侧模→隐蔽工程验收→混凝土浇筑及养护→预应力筋张拉→灌浆、封锚。

施工节点图见图12。

3.3 预应力张拉与灌浆、封锚

由于三向预应力圆板跨度较大，受力复杂，且施工阶段验算时并未分解各向预应力钢绞线的张拉过程，本工程建议被张拉层混凝土强度等级达到设计强度等级的100%，且相邻上一层楼板混凝土强度等级达到设计强度等级的50%后方可进行张拉。预应力钢绞线张拉时采用超张拉法，一次张拉至1.03σcon。考虑每根波纹扁管中有4根钢绞线，且每两根波纹管采用水平并列放置，为防止预应力钢绞线在张拉过程中出现扭绞应力[8]，本工程建议每方向采用两台张拉设备，由两侧向中间对钢绞线进行对称逐根张拉。为使预应力圆板受力更均匀，要求并列放置的两束钢绞线张拉端与锚固端反向布置。

待预应力钢绞线张拉完成检查合格并静停12 h后，测量预应力锚具处预应力筋的内缩值满足规范要求后方可切断预应力筋，涂刷专用防腐油脂，并安装塑料封盖。圆板预应力孔道灌浆料采用42.5普通硅酸盐水泥与膨胀剂配置而成，灌浆压力采用0.7 MPa，灌浆时从中间的灌浆孔进行灌浆，待排气孔冒出浓浆时堵塞排气孔，并继续加压，然后封闭灌浆孔。待灌浆完成后采用微膨胀混凝土浇筑对张拉端进行密封保护。

圆板预应力专项施工与主体结构施工存在交叉，两者应相互配合进行施工[9]。甲方、监理、施工管理人员应相互协调，提前对其进行详细的施工组织设计。施工现场如图13a),图13b)所示。

4 结语

本文基于MidasGen有限元分析平台，对大直径三向预应力圆板进行了施工阶段、承载能力极限状态、正常使用极限状态的计算分析，并结合施工的实际情况，得出以下结论及建议：

1)本制麦塔干燥炉、发芽箱内径29.900 m，据悉为国内最大直径的制麦车间。本工程的设计与施工为今后建造类似项目提供了宝贵的工程经验。

2)29.900 m直径有粘结预应力圆板采用三向布筋的方式，能有效的增加楼板的刚度，并减轻自重。不仅能较好的满足工艺生产要求，并具有良好的经济性。

3)扁形波纹管及扁形锚具的使用，能有效的控制预应力筋线的矢高，使预应力效果更为显著。

4)因扁管中穿有多根预应力钢绞线，在施工中应根据要求，采用合理的张拉顺序，减小预应力钢绞线的扭绞应力。

5)单根波纹管中，预应力钢绞线张拉顺序对各钢绞线的预应力损失存在显著影响。

6)有粘结预应力扁管技术在重载楼板中的工程经验较少，且制麦塔进出物料频繁，建议锚固端采用挤压型锚具；并在张拉端采取防止夹片锚具松弛的措施。