黃健偉

(中鐵十六局集團(tuán)電氣化工程公司，北京 100018)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，人們對于材料利用率、耐久性的要求不斷提高，傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在空間曲線張拉摩擦損失過大，灌漿密實(shí)度難以保證等問題越來越不被接受。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其將鋼絞線、聚乙烯護(hù)套和可緩慢固化的緩凝粘合劑復(fù)合在一起，進(jìn)行工廠化流水線化生產(chǎn)，規(guī)避了傳統(tǒng)壓孔灌漿等施工工序，保證了結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量；改變了鋼絞線張拉摩擦介質(zhì)，降低了空間曲線下張拉摩擦損失，且緩凝粘合劑獨(dú)特的固化機(jī)理又保證了緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)良的傳力機(jī)制。其以簡便的施工工序、優(yōu)良的受力性能和耐久性得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。

1 摩擦損失理論分析

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線中的緩粘結(jié)粘合劑在張拉適用期內(nèi)具有一定的粘性和潤滑性，可以對鋼絞線進(jìn)行張拉，此時(shí)摩阻損失適度；一旦張拉時(shí)間大于張拉適用期，緩凝粘合劑的粘稠度增大，從而導(dǎo)致摩阻損失增大，因此要嚴(yán)格控制張拉時(shí)間，不可超過張拉適用期。

張拉錨固使得鋼絞線建立有效預(yù)應(yīng)力，有效預(yù)應(yīng)力的大小是評估結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。摩擦損失的大小將對有效預(yù)應(yīng)力，張拉伸長值、裂縫寬度等產(chǎn)生直接的影響，故，對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工來說，摩擦損失的計(jì)算是非常重要且關(guān)鍵的，其中局部偏差系數(shù)K和摩擦系數(shù)μ是影響摩阻損失的關(guān)鍵因素。

在現(xiàn)實(shí)情況中，受到諸多因素(如施工工藝、外界環(huán)境和材料技術(shù)性能等)的共同作用，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失的產(chǎn)生，預(yù)應(yīng)力張拉錨固后的鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力小于張拉控制應(yīng)力。其中張拉摩擦損失占有重要比重，根據(jù)JGJ 369-2016《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁的摩擦系數(shù)如表1所示。

表1 預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁摩擦系數(shù)

本文以高平東高鐵站房緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工為例，整理并分析其張拉記錄，驗(yàn)證緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉效果。并從理論角度出發(fā)同傳統(tǒng)有粘結(jié)金屬波紋管預(yù)應(yīng)力張拉摩擦損失進(jìn)行對比分析，闡述緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力應(yīng)用優(yōu)勢。

2 工程概況

高平東站位于山西省高平市，站房中心里程DK275+130，站房建筑面積9 999.50 m2(不含地下車庫面積)。另外架空層面積5 283 m2，落客平臺面積4 077 m2，天橋面積279.54 m2。本站房地上主體2層，兩側(cè)三層，局部地下一層，站房高度19.75 m(圖1)。

圖1 高平東站效果

本工程主體結(jié)構(gòu)首層、二層部分梁中采用直徑21.8 mm緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，控制梁撓度、裂縫并承擔(dān)部分承載力。

3 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力摩擦損失控制措施

3.1 預(yù)應(yīng)力線型控制

預(yù)應(yīng)力損失由張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮、預(yù)應(yīng)力筋的摩擦、預(yù)應(yīng)力筋的松弛、混凝土的收縮和應(yīng)變以及混凝土的彈性收縮組成，作為主要組成部分的摩擦損失，對結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量和使用壽命會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此，能否對摩擦損失進(jìn)行精確計(jì)算是非常重要的問題。

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在混凝土梁中以拋物線形式存在，預(yù)應(yīng)力張拉后預(yù)應(yīng)力曲線提供和結(jié)構(gòu)受力荷載反向的等效荷載，用于抵消構(gòu)件恒荷載和部分活荷載，為保證預(yù)應(yīng)力作用效果，需嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力筋線型和數(shù)量。其中預(yù)應(yīng)力筋線型是影響預(yù)應(yīng)力摩擦損失的重要影響因素，故預(yù)應(yīng)力筋穿束施工工序非常重要。

本工程緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋選用規(guī)格直徑21.8 mm，重量2.95 kg/m，截面面積為313 mm2。待支好梁底模并綁扎完成梁普通鋼筋(除拉筋外)后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙焊接定位筋，由于鋼絞線直徑增加導(dǎo)致剛度與重量增加，要求定位筋直徑不得小于12 mm，梁內(nèi)定位筋間距不宜大于1.2 m，且定位筋位置保證預(yù)應(yīng)力筋位于預(yù)應(yīng)力線型中心。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋束內(nèi)線與線相對位置應(yīng)固定且整束線在整個(gè)梁中的空間位置也應(yīng)穩(wěn)定可靠，宜用扎絲在整束穿筋結(jié)束后進(jìn)行整束綁扎且牢固。成束布置預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，預(yù)應(yīng)力束與定位筋間應(yīng)進(jìn)行綁扎且保證可靠，避免在后續(xù)施工過程中由于擾動(dòng)出現(xiàn)的束內(nèi)線間的纏繞現(xiàn)象，以及整束線形發(fā)生改變的現(xiàn)象發(fā)生。為保證有效預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)平行順直的穿設(shè)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并要求不大于30 mm的水平偏擺距離和不大于15 mm的豎向偏差(圖2)。

圖2 預(yù)應(yīng)力線型控制

3.2 錨固系統(tǒng)處理

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋為單根單拉型，其錨固節(jié)點(diǎn)尺寸小，可在梁端非加密區(qū)進(jìn)行撅起內(nèi)凹式張拉操作。采用內(nèi)凹式張拉時(shí)，將承壓板固定在構(gòu)件表面足夠深度處使錨具不露出構(gòu)件表面，為保證張拉時(shí)千斤頂有足夠的空間，應(yīng)及時(shí)調(diào)整承壓板周圍鋼筋的位置。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉撅起操作會(huì)增加預(yù)應(yīng)力線型彎起角度，增加預(yù)應(yīng)力張拉摩擦損失，需保證預(yù)應(yīng)力筋彎折曲率半徑不得小于4.0 m，張拉撅起角度控制在15～20 °之間(圖3)。

圖3 梁頂張拉端撅起

對于固定端而言，梁中預(yù)應(yīng)力筋通常情況下多且位置相對集中，如果梁整束預(yù)應(yīng)力筋固定端重疊放在一個(gè)位置容易造成混凝土澆筑時(shí)固定端部分澆筑不密實(shí)，不能承受預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)的張拉力進(jìn)而影響施工質(zhì)量和張拉效果。故梁固定端端部應(yīng)相對前后上下錯(cuò)落布置，不宜重疊。如圖4所示分層錯(cuò)落布置。

圖4 固定端固定

4 預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失的計(jì)算

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉前需對張拉槽進(jìn)行清理，將承壓板表面混凝土剔鑿干凈，并檢查承壓板后混凝土是否密實(shí)，后安裝張拉錨具。

4.1 張拉控制力

采用“雙控法”進(jìn)行張拉作業(yè)即采用張拉力與伸長值雙控，其中以張拉力為主要控制因素，張拉伸長量做校核。取鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值的75 %作為張拉控制應(yīng)力，并超張拉3 %，即：

1860×0.75×1.03=1436.85 MPa。

21.8 mm緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制力為：

1436.85×313=449.734 kN

4.2 理論伸長值

預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉理論伸長值計(jì)算公式：

式中：Fpm為預(yù)應(yīng)力筋的平均張拉力(N)；Lp為預(yù)應(yīng)力筋的長度(mm)；Ap為預(yù)應(yīng)力筋的截面面積(mm2)；Ep為預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量(N/mm2)。

Fpm=Fp(1+e-κx-μθ)/2

式中：Fpm為預(yù)應(yīng)力筋平均張拉力(N)；Fp為預(yù)應(yīng)力筋張拉端的張拉控制應(yīng)力(N)；X為從張拉端至計(jì)算截面的曲線長度(m)；θ為從張拉端至計(jì)算截面曲線部分切線的夾角之和；κ為護(hù)套壁每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)；μ為預(yù)應(yīng)力筋與護(hù)套壁之間的摩擦系數(shù)。

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉采用雙控法張拉方式，以理論伸長值控制為主，張拉力控制為輔。要求實(shí)際張拉伸長值與理論張拉伸長值相差不得超過理論伸長值的±6 %。本文以高平東站部分預(yù)應(yīng)力梁張拉數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉伸長值分布規(guī)律，計(jì)算緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋實(shí)際摩擦系數(shù)。

本文以高平東站候車廳層預(yù)應(yīng)力梁YKL與YL1為例，如圖5所示，計(jì)算其理論伸長值并對比現(xiàn)場實(shí)際張拉效果，其計(jì)算結(jié)果與張拉結(jié)果如表2所示。

(a)YKL1 立面曲線定位

(b)YKL2立面曲線定位圖5 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力立面曲線定位(單位：mm)

表 2 預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)據(jù)

由以上結(jié)果可知，實(shí)際張拉伸長值均在理論偏差±6 %以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，但根據(jù)張拉結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其理論伸長值均在正偏差范圍內(nèi)，分析原因?yàn)槠鋵?shí)際張拉摩擦損失要小于理論計(jì)算值。JGJ 387-2017《緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋局部偏差系數(shù)κ=0.006，μ=0.12。根據(jù)張拉試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際值應(yīng)小于規(guī)范值。根據(jù)實(shí)際張拉伸長值反推算預(yù)應(yīng)力摩擦損失見表3。

采用二元線性回歸法分析數(shù)據(jù)[5]，計(jì)算管道曲率摩擦系數(shù)μ和局部偏差系數(shù)κ。

表 3 預(yù)應(yīng)力損失

式中：n為實(shí)際測試的管道數(shù)量；Ci為第i個(gè)管道對應(yīng)的ln(P1/P2)，P1、P2分別為主動(dòng)端和被動(dòng)端傳感器壓力值(kN)；li為第i個(gè)孔道對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力束的水平投影長度(m);θi為第i個(gè)孔道對應(yīng)預(yù)應(yīng)力束的空間曲線包角(rad)。

根據(jù)以上線性回歸方程，求得現(xiàn)場實(shí)際張拉時(shí)，局部偏差系數(shù)κ=0.004 98，曲率摩擦系數(shù)μ=0.088，低于規(guī)范允許值。

緩凝粘合劑是一種溫度敏感型材料，其粘度與溫度直接相關(guān)。溫度越低粘性越大，粘滯力引起的預(yù)應(yīng)力損失越大[6]。在張拉適用期內(nèi)，現(xiàn)場張拉表明，當(dāng)溫度高于25 ℃時(shí)，緩凝粘合劑對鋼絞線的粘滯力幾乎很小。其張拉摩擦損失要比理論計(jì)算值要小。

5 緩粘結(jié)與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉對比

以YKL1為例，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力摩擦系數(shù)u=0.12，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力摩擦系數(shù)u=0.25。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁筋采用群錨的方式，這種方式為對張拉端出頭錨定位置及張拉空間有更高的要求，需要對其進(jìn)行深化做加腋處理，如圖6所示，意味著有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋除了拋物線(立面)彎曲還具有平面外彎曲。

圖6 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉加腋(單位:mm)

如圖6所示，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋平面外曲線包括曲線段AB與曲線段BC兩段，和緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方案相比，有粘結(jié)方案增加兩段曲線，造成額外的摩擦損失。AB段與BC段投影長度均為L=1700 mm，AB段高度450 mm，BC端高度為200 mm，經(jīng)計(jì)算，平面外彎曲角度為0.718 rad，共計(jì)預(yù)應(yīng)力摩擦損失為244.7 MPa，約占張拉控制應(yīng)力的17.5 %。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，同等預(yù)應(yīng)力等效應(yīng)力情況下，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力形式比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力形式節(jié)省。

6 結(jié) 論

本文以高平東站緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工為例，分析施工過程對預(yù)應(yīng)力摩擦損失的影響，結(jié)論總結(jié)如下：

(1)在現(xiàn)場溫度高于25 ℃時(shí)，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力實(shí)際摩擦損失要低于規(guī)范值；

(2)綜上所述，要保證緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力工程張拉質(zhì)量需要對整個(gè)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工各個(gè)主要施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格管理控制。通過對高平東站緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工過程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)解析，可為類似工程提供有益參考及借鑒；

(3)同有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力相比，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力形式更能節(jié)省材料，更能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力終將帶來預(yù)應(yīng)力行業(yè)的變革。