预应力混凝土空心楼盖锚固端裂缝原因与防控方法*

郜宝田

宁夏建投设计研究总院有限公司，宁夏 银川 750001

随着人们生活水平的不断提高，人们对建筑物的大空间、大跨度要求也随之提高。为满足大跨度建筑空间及板底的平整、美观要求，采用混凝土空心楼盖可以有效减轻结构自重，降低截面高度，增大楼盖刚度。为了满足大跨度混凝土构件正常使用性能，预应力技术是优选方案，不仅可以提升大跨度混凝土构件受力性能，还可以有效控制构件裂缝，且具有较好的经济效益。

若钢筋混凝土结构工程设计和施工中存在不足，则易带来结构安全隐患，裂缝就是其中最常见的问题。针对预应力混凝土结构裂缝问题，国内外学者做了大量的分析研究。郑永瑞等[1]对体外预应力加固的长周期在役预制梁开展了破坏性试验研究，确定了其裂缝发展规律。刘昭清等[2]通过试验和有限元方法，研究了现浇空心楼板中无黏结预应力钢绞线的应力增量。马肖彤等[3]以某加层改造实际工程为算例，对比分析了加层改造前后结构地震响应特征。辛亚军等[4]提出了一种适用于装配式结构的体外预应力镰刀型锚固装置。

文章重点研究了实际施工过程中出现的空心楼盖预应力锚固端板面裂缝。通过研究空心楼盖锚固端的结构构造、受力情况，可准确分析出裂缝产生的原因，用以完善设计工作，加强施工管控，保证工程质量，针对已发生裂缝的楼盖，采取相应的加固方案，以保证结构使用安全。

1 工程概况

1.1 基本参数

该工程是四层商业用途框架结构，其使用性质需满足大跨度大空间的建筑要求，通过方案对比，大空间楼盖采用预应力现浇混凝土空心楼盖。四边简支空心楼板基本参数如表1、表2所示。

表1 几何参数 单位：mm

表2 材料参数

1.2 预应力锚固端应力分析

（1）后张法预应力施工。该工程采用后张法预应力施工，锚固端位于与预应力空心楼板相连接的边梁上，其构造方式如图1所示。从图1中可以看出，当混凝土达到预定强度时，在边梁处开始张拉锚固，边梁为实体梁，尺寸为300mm×700mm，采用后张法进行预应力张拉，张拉力通过锚垫板传递至实体边梁，再传递至空心楼盖工字型截面上，因偏心弯矩的存在，会在工字型界面上产生不均匀应力。

图1 预应力构件构造图（单位：mm）

（2）预应力筋曲线特征。预应力筋曲线特征如图2所示。设空心板跨度为L，各控制点高度分别为h左、h中和h右，则预应力筋矢高δ的计算公式如下：

图2 预应力曲线特征图

预应力筋摩擦角度θ的计算公式如下：

2 理论计算

预应力筋张拉端采取一端张拉；计算跨度为m跨，预应力筋计算参数如表3所示。采用STRAT软件计算，预应力空心板跨中的承载能力极限状态的正截面及斜截面承载力均符合要求。因此，文章不再对空心楼盖跨中受力及变形进行分析，主要针对混凝土实体梁端部锚固区及实体梁与混凝土空心板转换界面处进行计算，并对预应力后张法施工裂缝原因进行分析。

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表3 预应力筋曲线特征参数

（1）理论依据。后张法需要将预加应力Np通过锚具传递给实体梁混凝土，并将集中预加力以一定角度呈锥体状传递到梁体的整个截面，这一过程需要一个过渡区段。在该构件过渡段内正应力线呈曲线分布，加之横向正应力和剪应力不均匀分布，故应力分布十分复杂[5]。

（2）局部承压计算。根据《预应力混凝土结构设计规范》（JGJ 369—2016）[6]，预应力筋有效应力计算如表4所示。

表4 短向预应力筋单束有效应力

其中，张拉控制应力σcon的计算公式如下：

式中：fptk为钢绞线极限强度标准值。

锚具回缩损失σl1的计算公式如下：

摩擦损失σl2的计算公式如下：

钢筋应力松弛，当σcon≤0.7fptk时，混凝土弹性压缩引起的应力损失σl4的计算公式如下：

混凝土收缩徐变σl5=65MPa时，单束有效应力σe的计算公式如下：

（3）试配预应力筋。单束有效力Pe的计算公式如下：

单束等效荷载Qeq的计算公式如下：

每道肋里配预应力筋数量为n1束，则每米板带中配预应力筋的数量可通过以下公式计算：

总预压应力Np的计算公式如下：

平衡荷载（方向向上）Q平的计算公式如下：

短向方向上预应力筋平衡荷载计算如表5所示。

表5 短向预应力筋平衡荷载

（3）锚垫板预应力计算。锚垫板下混凝土的允许压应力fcpi的计算如表6所示。

表6 混凝土的允许压应力fcpi取值

（4）实体梁局部压力计算。按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[7]相关规定，混凝土强度取C40，局部压应力应满足以下要求：

式中：Fl为混凝土局部受压承载力；βc为混凝土强度系数；βl为局部受压强度提高系数；fc为混凝土抗压强度设计值；α为间接钢筋对混凝土约束的折减系数；ρv为螺旋箍钢筋体积配筋率；βcor为受压承载力提高系数；fyv为钢筋抗压强度设计值；A1n为受压面积。

螺旋式配筋体积配筋率ρv的计算公式如下：

式中：ASS1为箍筋截面积；dcor为混凝土截面直径；s为箍筋螺距。

当混凝土强度低于C50时，混凝土强度影响系数βc取1；间接钢筋的局部受压承载力提高系数βcor为1.18；混凝土局部受压强度提高系数βl=3；混凝土抗压强度设计值fc=19.1kN/mm2；净截面积A1n=130×110-22.52×3.14=12710mm2。以图1所示工字形截面为计算单元，当张拉混凝土强度达到90%时，F1=968.9kN＞Np=586kN，0.9βcβlfcA1n=589.9kN。通过验算，当张拉混凝土强度达到80%时，其自身强度不满足要求，需要配置适量的箍筋。

3 裂缝成因与防控

3.1 裂缝成因分析

空心楼盖截面构造图如图3所示，箍筋有效作用占比32.89%，工字形截面配箍仅在腹板，配筋规格为φ8@200mm，配箍率较小，而孔道附近没有配置内箍，对孔道附近应力集中几乎没有贡献，同时上翼缘板没有设置加强钢筋网片，对上翼缘裂缝控制不力。

图3 空心板配筋图（单位：mm）

3.2 裂缝防控方法

（1）确保构件混凝土设计强度及张拉时混凝土的强度值满足设计要求。按照《预应力混凝土结构设计规范》（JGJ 369—2016）[6]，混凝土设计强度不宜低于C40，且不应低于C30，张拉时混凝土强度值不应低于设计强度值75%，并满足锚具对混凝土强度要求。

（2）拆模后，空心楼盖的支座弯矩、剪力均对锚固端抗裂有影响，应在设计时进行验算。

（3）精确控制混凝土构件截面尺寸和预埋锚垫板位置，锚垫板强度、刚度及垫板下混凝土局部抗压强度值，钢垫板要准确垂直于预应力钢绞线孔道中心，使钢垫板和其下混凝土处于正压状态[8]。

（4）端部翼缘板应配置加密网片，加强截面转换处抗裂性能。

4 结论

文章对后张法预应力法施工阶段的边梁及空心板进行了结构构造、受力分析研究，主要得出了以下结论：（1）预应力锚固端板表面裂缝产生的主要原因是锚固端实体梁截面转换至空心楼盖工字形截面或T形截面处，受荷面积突变，预应力钢绞线张拉产生的压应力超过了此处的混凝土局部受压承载力；（2）由于孔道偏心的影响，最大应力并没有出现在孔道处，而是逐渐偏移至上翼缘处，从而导致界面处的拉、剪应力超过了混凝土的抗拉、抗剪强度，混凝土必然开裂，截面处混凝土开裂，其释放的应力将全部由附近的钢筋承担，如果配筋强度不足、布置不合理，则裂缝会进一步扩展，影响工程结构质量。