无粘结预应力技术在大型圆形仓池结构中的应用

PAGE--无粘结预应力技术在大型圆形仓池结构中的应用APPLICATIONOFUN-BONDEDPRESTRESSEDTECHNICFORLARGECIRCULARTANK-SILOSTRUCTURE摘要本文以某一贮煤筒仓和某一圆形水池为例，对无粘结预应力技术在大型仓池结构中的应用进行了较详细的介绍，对该类工程的设计和施工提出了建议。关键词无粘结预应力仓池结构扶壁柱ABSTRACTInthispaper,takingexampleforasiloofcontainingcoalandacircularwatertank，applicationofun-bondedprestressedtechnicforlargecirculaltank-silostructureisintroducedindetail.Thispaperputsforwordsomesuggestionforconstructionanddesignofthiskindsofstructure.KEYWORDSUn-bondedPrestressedCircularTank-siloStructure近20多年来，随着预应力理论的不断完善与发展，无粘结预应力成套技术日趋成熟。由于其具有使用性能好，施工方便等优点，广泛应用于各种结构工程，包括高层结构、桥梁、大跨工业厂房、基础抗浮桩、护坡锚杆等。近几年来，无粘结预应力技术开始应用于仓类构筑物（如煤仓、水泥仓、粮仓）和池类构筑物（如储液池、污水处理池），此类结构预应力施工方法较其它类型梁、板等结构有所不同，现以石景山热电厂贮煤筒仓和大连石化分公司污水场扩建工程二沉池为例，对这类大型圆形仓池类结构的预应力施工方法进行介绍。图1大连石化二沉池预应力方案确定工程概况北京市石景山热电厂二期扩建工程包括三个大型贮煤筒仓。每个筒仓总高51.5m，仓壁为直径36米的有盖筒体结构，筒壁厚500mm。每个贮煤筒仓贮煤量达三万吨，是国内目前最大的贮煤筒仓之一。大连石化分公司催化裂化装置配套工程污水处理厂二沉池总高4.5m，直径45.6m，池壁厚450mm。两个工程均属于大型圆形仓池类构筑物。方案确定对于二沉池，由于受到池内水的压力以及温度应力等荷载的作用，池壁受到很大的轴向拉力，如采用普通钢筋混凝土结构，即使池壁很厚，也难免在实际使用过程中池壁产生裂缝。根据实践经验，采用预应力技术较为合理。过去水池经常采用绕丝预应力混凝土技术，即用绕丝机在水池壁板外缠绕预应力高强钢筋来施加预应力，这种预应力技术的缺点很明显：首先是施工过程中极易断丝，断丝后的修补费工费料又影响预应力施加效果；其次绕丝后如不立即采取防腐措施，或防腐措施不当，极易使预应力钢筋锈蚀，影响预应力施加效果和减少结构寿命；第三,由于池壁的温度收缩和膨胀，混凝土的收缩和徐变，以及无法估计的外部作用，预应力钢筋的保护层极易剥落，使预应力筋暴露在在外部环境中产生锈蚀；最后，该方法施加的预应力吨位有一定限制。近20年来，随着预应力施工机具的不断进步，预应力锚夹具的生产水平和产品质量大幅度提高，无粘结预应力技术逐步发展起来，并且从只在房屋建筑的楼板内应用，逐步开始在筒仓及水池中应用。无粘结预应力应用与水池结构，其特点是：铺设及张拉施工简便；预应力损失小；预应力筋的防腐性能好，可用于现浇混凝土池壁内部，耐久性好；不受吨位限制；价格便宜。对于筒仓，其筒壁受力比水池池壁更复杂，在仓内煤的侧向压力、温度应力以及上部传来的各种使用荷载、地震作应下承受着巨大的环向拉力。而其高腐蚀性的使用环境对结构的抗裂性能提出了极高的要求。除此之外,本工程的另一特点是，根据工艺要求，该贮煤筒仓的斗壁和仓壁设计为整体结构，在国内系首次采用这种形式。该工程最终确定采用无粘结预应力技术。预应力设计配筋特点二沉池池壁和筒仓筒壁：设计时根据各部位环向拉力的不同，沿纵向变距离布置环向预应力束。为形成完整的环向预压力，两个工程环向预应力筋分别采用180和120包角布置，即：筒仓筒壁每层预应力筋由两束无粘结筋组成，每束筋各绕圆周180,相邻两层预应力筋的张拉端错开90，以形成完整连续的环向预压力（见图4）；二沉池池壁每层预应力筋由三束无粘结筋组成，每束筋各绕圆周120,相邻两层预应力筋的张拉端错开60。为方便环向预应力筋的张拉,筒壁及池壁预应力筋张拉端部位均设置了扶壁柱。贮煤筒仓的斗壁也配置了环向无粘结预应力筋，同时斗壁还配置了径向直线无粘结预应力筋，用以分别承担斗壁的环轴向拉力和悬挑臂弯矩。为方便径向预应力筋的张拉，在斗壁及筒壁交界处设置环梁，径向预应力筋张拉端布置在环梁上部，锚固端布置在斗壁悬挑端。贮煤筒仓的仓顶结构，是由中心筒到仓壁的辐射梁和环向次梁组成的梁板结构来承重的。其中辐射梁为半预制梁，采用了无粘结预应力技术。为节省预应力钢筋，无粘结预应力筋两个工程均采用了目前市场上最常见的、标准强度fptk为1860Mpa的高强低松弛预应力钢绞线，张拉控制应力：石景山热电厂贮煤筒仓：0.75fptk；大连石化污水处理厂二沉池0.72fptk。无粘结预应力施工施工组织石景山热电厂贮煤筒仓：由于其总高度有50多米，且沿纵向外径变化不大，故模架体系采用的是整体滑框倒模。随着整体模板的提升（约1.5m一个提升段），分段绑扎钢筋，浇筑混凝土。预应力由专项施工队伍进行施工，编入土建队伍的流水施工，三个大型筒仓分三段组织流水施工,按整体模板的提升高度,每提升一次为一个流水层,这样沿纵向将筒仓分为若干个施工层。每个施工段的施工过程为：提升并调整模板→绑扎普通钢筋→焊预应力筋支撑→穿预应力筋并调整固定→浇筑混凝土并养护→张拉预应力筋→封堵预应力张拉端。各施工段间衔接紧密，各工种紧密配合，保证了流水施工的顺利实施，施工进度按计划稳步推进。大连石化二沉池：由于池壁总高仅4.5m，沿池壁不易分段施工，故等到池壁普通钢筋绑扎完毕后，预应力施工人员才开始进入现场工作面进行无粘结预应力筋的铺设施工。为不影响工期，加快预应力铺设施工速度，预应力施工队伍进入工作面前，做好一切施工前准备。如：预应力筋的定长下料、螺旋筋的截断、架立筋的准备等。在此需说明的是，预应力铺设施工过程包括：架立筋的焊接定位、预应力筋穿束、预应力筋绑扎固定、张拉结点安装等几道工序，其中定位并焊接预应力架立筋是一项用时比较多的施工过程，为尽量少占用工作面时间，在短时间内完成无粘结预应力筋的铺设任务，施工前设计并制作了上下整体式定位筋（详见下文），在施工时直接将其按规定间距绑扎在普通钢筋笼上（而不像筒仓筒壁预应力定位筋是逐点焊在普通钢筋上），大大加快了施工速度，并且保证了预应力筋的准确定位。施工中的技术难点及解决方法锚具的选择由于石景山热电厂贮煤筒仓工程无粘结预应力配筋量较大，设计中采用集团束配筋方法，最大的集团束每根包括8束无粘结预应力筋，即便如此，由于集团束紧密相邻，空间狭小，仍给锚固带来较大难度。本工程采用了由北京市建筑工程研究院研制的B&S锚固系统中的Z15型群锚（见图2）系列（三孔、五孔、七孔和八孔），由于该系列锚具体积小，使用方便，且效率系数高，锚固可靠，很好的解决了上述难题。图2筒仓结构图3集团束群锚张拉端图4筒仓环向预应力筋而大连二沉池工程则选择了B&S锚固系统中的单孔锚具，原因是其池壁预应力筋相对较少（预应力筋最小间距80mm，扶壁柱上张拉端最小间距160mm），沿扶壁柱有足够的张拉位置。选择单孔锚具，可使预应力筋沿池壁分步更均匀，更有利于将预压力均匀的施加在水池壁上。预应力筋的铺设图5池壁环向筋定位方法图6筒壁环向筋定位方法预应力筋的铺设是预应力结构施工中的关键工序之一。铺设质量的好坏对最终预应力的施加效果有直接影响。对于两个工程的筒壁及池壁，环向无粘结预应力筋铺设的技术要求是：一要保证预应力筋的数量和标高准确；二要保证环向预应力筋的张拉点相邻层相差一个扶壁柱位置；三是铺设预应力筋时要求保持集团束中各预应力筋相互平行，不发生扭绞，同时施工误差尽可能小。根据两个工程施工组织安排与设计特点的不同，环向预应力筋的定位方法见图5和图6。在施工中，由于筒仓斗壁既有环向预应力筋，又有径向预应力筋，还有稠密的普通钢筋，配筋较密集，铺预应力筋较为复杂。施工时采用了环向无粘结筋与径向无粘结筋逐层铺设的方法，将环向预应力筋分为两层布置，下层径向筋插在两层环向预应力筋之间（以保证径向预应力筋与模板间的相对位置符合设计要求）。斗壁具体铺筋顺序如下（参考图7）：（1）铺设下层径向与环向非预应力筋；（2）布置环向与径向预应力筋张拉端的螺旋筋与承压板；（3）在下层非预应力筋上铺设并定位第一层（底层）环向无粘结筋；（4）安装预应力筋定位支架（见图8）；（5）铺设并定位下层径向预应力筋，并安装锚固端螺旋筋；（6）在预应力筋定位支架上铺设并定位上层环向预应力筋；（7）铺设上层径向预应力筋（不定位）；（8）铺设上层（环向、径向）非预应力筋，并加固预应力筋定位支架；（9）在上层普通钢筋上定位上层预应力筋，并安装径向筋锚固端螺旋筋。图7斗壁钢筋布置图8斗壁预应力筋定位支架在无粘结预应力筋的穿束过程中，注意以下几点：尽量避免预应力筋外皮破损，如有破损，及时用专用胶带修补；严禁强力扭折预应力筋，以免使其产生不可恢复的死弯，如果发现预应力筋产生死弯，必须立即将其更换，以免将来张拉时发生意外断丝；预应力定位筋应沿预应力布置方向每隔1m设置一道，将预应力筋绑扎在定位筋上，以使其顺直；预应力张拉端承压板需用钉子固定在端模上，且张拉端预应力筋应垂直穿出承压板；为防止张拉时同束各根预应力筋相互挤压而增加摩阻，筒仓斗壁环向与径向预应力筋束中各根无粘结筋分层平行布置且层间保持一定的间距。洞口处预应力筋的处理可以采取两种做法：第一种做法：在洞口处截断预应力筋，两端分别在洞口两侧张拉锚固；第二种做法：预应力筋自然绕过洞口。第一种做法适用于洞口高度较大时，其特点是施工简便；第二种做法适用于洞口高度较小，预应力筋在不用绕很大弯就能绕过时，其特点是预应力施加整体性好，不易造成洞口边缘压应力过大和避免洞口角部混凝土应力集中。大连二沉池工程池壁有一高度约1200mm的溢水口，实际施工时采用了折衷的方案，即：将穿过洞口的预应力筋分为上中下三部分，上部分预应力筋（其据洞口上边缘最大垂直距离约400mm），从洞口上部绕过，下部预应力筋（其据洞口下边缘最大垂直距离约400mm），从洞口下部绕过，其余中部预应力筋在洞口处断开，每根筋断开后做成两个张拉端，分别锚固在洞口两侧的扶壁柱上（如图9所示）。实践证明，效果不错，既保证了工程质量，又方便了施工。预应力筋张拉端的做法根据不同的情况，预应力筋采用不同的张拉端做法，以满足不同位置的预应力筋的锚固要求，具体情况如下：（1）对于筒仓斗壁、筒壁以及水池池壁的环向预应力筋，将其张拉端布置在沿筒壁和斗壁周边均匀布置的扶壁柱上，两端张拉，采用外露式张拉端；（2）对于筒仓斗壁径向预应力筋，采用一端张拉，一端锚固的方法，其固定端布置在斗壁下部悬挑端。为防止锚固端拥挤，将长束与短束等间距插空布置。张拉端布置在斗壁与筒壁相交处筒壁上的环梁上，亦采用外露式张拉端。在施工中，将斗壁上下两层对应的两束径向无粘结筋在张拉端合并到一块八孔群锚承压板内，事实表明这种做法方便了施工且锚固效果很好；（3）对于筒仓加厚区部位的环向预应力筋，由于没有外扶壁柱，张拉端设在筒壁内侧的暗扶壁上，两端张拉，采用暗盒式张拉端（见图10）；图9洞口处预应力筋图10暗盒式张拉端（4）筒仓预制辐射梁预应力筋，由于预制梁的荷载较大，配筋较多，因此也采用了集团束配筋、群锚锚固的方法，张拉端安装见图11，第一批张拉的张拉端采用外露式张拉端，第二批张拉采用穴模式张拉端。图11辐射梁张拉端预应力筋的张拉施工预应力筋的张拉是预应力结构施工最关键的工序。张拉质量的好坏，直接影响预应力结构的可靠性。两个工程均采用了北京市建筑工程研究院研制生产的YCN-25型前卡式千斤顶，其特点是操作简便、质量小、精度高，使用前先对其进行配套标定。两个工程中，不同的预应力筋，根据其不同情况，采用不同的张拉程序。1.筒仓仓壁和斗壁的环向预应力筋：由于采用集团束布筋、长度较大且弯曲角度达180，预应力筋摩阻较大。为减小摩擦阻力，采用了“逐根逐级循环超张拉”的工艺，即，张拉应力00.5con1.03con锚固（超张拉3％），如Z15-7锚具（七孔群锚锚具）张拉，第一循环先将七根绞线均张拉到0.5con，第二循环再张拉至1.03con。为使伸长值在两端较均匀分布，还采取了“两端循环分级张拉”工艺，使两端伸长差不超过总伸长值的20％。即张拉工序为：（1）A端：00.5con；（2）B端：01.03con锚固；（3）A端：0.5con1.03con锚固。2.筒仓斗壁径向单端张拉预应力筋：其长度较短，且弯曲角度很小，基本上是成直线布置，故张拉时可以直接张拉到位，中间不必停顿。即：01.03con锚固；3.筒仓仓顶辐射梁预应力筋：由于辐射梁所承受的活荷载较大，若采用全预制，预应力筋在吊装前全部张拉时将会产生较大反拱，甚至造成梁顶混凝土开裂。因此，设计时采用了半预制的方法，即：将全部预应力筋分为两批张拉，在构件厂预制构件时铺放全部预应力筋，待到混凝土达到100％强度后，张拉第一批预应力筋（只考虑了施工荷载），将第二批预应力筋的张拉端甩在梁端；等预制构件在现场吊装就位后，再浇注现浇层，最后在现浇层混凝土达到100％强度后，进行第二批预应力筋的张拉。两次张拉过程均为01.03con锚固；4.二沉池池壁预应力筋：由于采用单数布筋，转弯角度不大（120），故采用先一端张拉、然后另一端补拉的施工方法。即：（1）A端：01.03con锚固；（2）B端：01.03con锚固。为保证每根预应力筋的应力应变都能够符合设计要求，石景山贮煤筒仓和大连二沉池两个工程均采用了逐根张拉工艺，从而保证了对每一根预应力筋实行双控（同时控制预应力筋的应力与应变），而且，由于该工艺只需小吨位单根张拉设备即可，轻便、简单，易于操作，方便了施工。在无粘结预应力筋的张拉过程中，还应注意以下几点：（1）必须待相应部位混凝土强度达到或超过规范及设计要求强度后，方可开始张拉。尤其是筒仓预制径向辐射梁第二批预应力筋张拉，需待现浇混凝土强度达到要求后才可实施。（2）张拉时需注意观察无粘结筋是否与承压板垂直，如不垂直，应加斜垫片进行调整。（3）环向长束张拉过程中，两端应使用对讲机保持联系，即一端为主动端张拉时，另一端应有人观察被动端相应锚具的夹片变化情况，如发现夹片滑移，应暂停另一端张拉，为防止记混数据，给每束预应力筋编号，伸长值一一对应记录。用套管打紧夹片后再开始张拉。（4）为防止张拉斗壁外侧环向无粘结筋时挤压内侧环向筋，张拉时采用由内向外逐层张拉的操作程序，以避免由于张拉外侧预应力筋而导致内侧预应力筋摩阻值的增大。（5）张拉前应先计算预应力张拉理论伸长值。每批（部位）预应力筋张拉完毕，应立即测量校对伸长值。如发现误差超过规范规定值，应暂停张拉，待查明原因，并采取措施后，再继续张拉。（6）张拉中钢绞线如发生断裂，应立即停止张拉，并及时报告工程师，由工程师视具体情况决定处理。张拉端的封堵由于在无粘结预应力结构中，锚具失效将导致整个预应力体系失效，因此在预应力张拉过后，张拉端锚具的保护就变得格外重要。预应力筋在张拉后，经监理验收合格，用机械方法将外露预应力筋切断，剩余30~40mm，然后进行张拉端的处理。预应力张拉端的处理，一般有两种做法：其一是清除污物后，在锚具及裸露在外的承压板表面的涂环氧树脂，然后用微膨胀细石混凝土封堵密实。用这种方法处理张拉端，效果比较理想，缺点是由于环氧树脂凝固时间不易控制，施工较为困难。因此，在许多工程中用防锈油漆代替环氧树脂，尽管防锈油漆的防腐作用不如环氧树脂长久，但由于涂完后尽快封堵混凝土，利用混凝土的碱性，当封堵混凝土密实可靠且在工程使用过程中不被破坏，也可以保证在结构使用期内锚具不受外界环境的腐蚀。第二种做法是在锚具及承压板外涂上预应力专用防腐油脂，再用塑料盖封闭，再用微膨胀细石混凝土封堵密实。这种方法如塑料盖能将油脂完全封闭住，防腐效果会很好。但是由于目前所用的封盖并不具备密封作用，施工人员的素质较低，施工现场条件不好等原因，一般不易做到。尤其是穴模张拉端，施工工人往往只是将油脂往封盖内一抹，然后盖在锚具上。这样油脂很容易溢出封盖，从而污染混凝土，致使外部混凝土强度降低，再由于塑料封盖将结构内部混凝土与外部封堵混凝土隔开，封堵混凝土急易脱落，从而将锚具暴露在空气中。实际某些工程中经常发生的此类现象，往往都是采用这种方法防腐。本文介绍的两个工程均采用了第一种做法，用防锈油漆代替环氧树脂。为后浇混凝土与原结构混凝土粘结紧密，扶壁柱上都预留了胡子筋，与外挂钢筋网片绑扎牢固，封堵前用水泥素浆刷原混凝土表面，然后再浇注细石微膨胀混凝土。实践证明达到了预期效果。大型预应力圆形仓池结构设计及施工要点大型预应力圆形仓池结构的设计与施工应注意以下几点：1、结构体系的选择。鉴于无粘结预应力技术具有绕丝预应力技术所无法比拟的优点，且比有粘结预应力技术有节省钢材、施工简单等优点，本人建议首选无粘结预应力技术（尤其是在结构直径较大时）。2、预应力钢筋和锚具的选择。无粘结预应力筋应尽量选择强度高、市场上最常用（以便容易选择相应锚具）的预应力钢绞线，目前市场上强度较高且最常用的是1860级фj15低松弛钢绞线；预应力锚具必须选择国家一类锚具，同时其尺寸规格应满足相应工程需要。3、施工中预应力筋的铺设。因为铺筋的速度和质量直接影响到后面工作的顺利进行。为保证预应力筋的曲线符合设计要求，预应力筋的定位筋应定位准确，其间距不应超过1500mm。合理设计预应力定位筋的形式，必须综合考虑施工组织和技术要求两个方面，选择合适的定位筋是快速、高质量完成铺筋施工的关键。应根据预应力筋所在部位的不同、施工组织的不同选择不同形式的定位筋。无论选择哪种定位筋，均应满足定位准确、施工方便等要求。在石景山热电厂筒仓和大连二沉池两个工程中采用的几种定位筋，制作简单，定位准确，很好的满足了设计要求，并方便了施工，提高了施工速度。预应力筋的铺设还应考虑预应力筋的张拉，张拉端的预留方式与组装方法直接影响到将来预应力筋张拉的速度和质量。一般情况下，筒仓筒壁及斗壁以及水池池壁的环向筋均利用扶壁柱采用外露式张拉端，筒仓斗壁纵向筋利用斗壁环梁也采用外露式张拉端；而在没有扶壁柱的区域（如筒仓筒壁加厚区）环向预应力筋可以考虑采用暗盒式张拉端；筒仓仓顶辐射梁张拉端的选择同普通建筑结构的大梁一样，根据实际情况选择使用外露式张