上海白龙港蛋形消化池后张有粘结预应力施工

陈小欢 孙太平

(中铁上海工程局市政工程有限公司，上海 201101)

0 引言

预应力混凝土蛋形消化池为特种异形构筑物(以下简称消化池)，主要用来处理污泥，目前国内尚无专门的技术规范和施工验收标准，业内一般采用《给水排水构筑物施工及验收规范》及其他相应标准。后张有粘结预应力施工是消化池结构施工核心工序，其施工质量对结构安全有十分重要的意义。

1 工程概况

上海白龙港水质净化厂设计建造8座蛋形消化池，设计使用年限为50年，消化池池体为双曲面预应力钢筋混凝土结构，单池设计容积12 400 m3，全高45．555 m(设计地面以上高32．255 m，地下埋深13．3 m)，赤道圆处池内直径25．0 m，地面以上壳体为800 mm～400 mm厚渐变池壁，主体混凝土强度等级C40，抗渗等级S10。8座消化池总体规模目前在同类结构中位居亚洲第一。整体效果见图1。

图1 蛋形消化池整体效果图

消化池有粘结预应力为后张法施工，采用低松弛高强度预应力钢绞线。竖向均匀分布72根4φs15．20预应力束，采用内置张拉端池内张拉(其中c型钢绞线每池18根，下端采用预埋挤压P锚，b型18根，a型36根)，张拉时，c型采用一端固定，一端张拉，a，b型采用两端张拉。消化池水平向共分布122圈预应力束，其中 V1～V102为6φs15．20预应力束，V103～V122为4φs15．20预应力束，张拉端采用张拉孔设计，在池壁外侧张拉，张拉方式均采用两点同步变角张拉(25°变角)。预应力张拉控制应力为σcos=0．80fptk，张拉控制采用应力和钢绞线伸长值双重控制。

预应力筋孔道用塑料波纹管做成，4索内径为55 mm，6索内径为65 mm，孔道灌浆采用真空灌浆技术，真空度80%以上，灌浆压力大于 0．7 MPa。

2 预应力制孔

2．1 预应力制孔材料

制孔材料采用塑料HDPE塑料波纹管(见图2)，四索内径为55 mm(SBG-50Y)，六索内径为65 mm(SBG-60Y)波纹管质量满足给水用高密度聚乙烯HDPE管材GB/T 13663-92的规定。

2．2 预应力孔道敷设

波纹管的敷设按设计标高及位置敷设，塑料波纹管竖向和水平向的埋管误差应控制在5 mm。

波纹管安装后，用φ12的U形筋点焊在钢筋上固定，以免浇混凝土时变形，见图3。

同时，为防止混凝土施工中孔道变形，采用在波纹管中安装硬聚乙烯内衬管确保成孔质量，即φ65 mm波纹管内设φ58内衬管，φ55 mm波纹管内安装φ58内衬管。

图2 塑料波纹管实物图

图3 塑料波纹管固定图

3 预应力筋穿束

1)采用整束穿法，穿束前，钢绞线汇编成束，将标签贴于钢绞线上(如a1～a18，b1～b18，v1～v18)与编好号的波纹管一一对应，过程中用φ8钢丝绳做牵引，将钢绞线束引入孔道，一端拉钢丝绳，另一端人工推送。2)水平向管道穿束，从任何一端穿入均可。a，b型竖向管道的钢绞线，从顶部到底部由上往下穿入，已穿入的钢绞线用夹片固定于顶部锚板中。3)对于c型竖向钢绞线挤压好后从下往上穿。施工中严禁电火花烧伤管道内的钢绞线，或利用钢筋骨架做电焊回路。4)孔道内钢绞线穿完后，用彩条布将露在孔道处的钢绞线包好，防止水和其他杂物进入管道内。5)预应力筋预留工作长度。锚固端预留长度为:锚具1/2厚度+50 mm;张拉端预留长度为:锚具1/2厚度+限位板厚度+转向装置长度+过渡块厚度+500 mm。

4 预应力试验

4．1 试验目的

1)确定预应力施工过程中的各项短期预应力损失，包括变角损失、孔道摩阻损失、锚口损失和预应力筋内缩引起的损失;

2)利用实测数据分析判断实际的预应力损失来校核设计参数，并以此为基础确定合理的施工工艺，使得壳体预应力值的建立符合设计要求;

3)在结构正式施工之前，通过预应力试验实现对预应力张拉过程的预演，检验施工工艺、机具及施工组织安排的可靠性，为实体结构施工提供经验及指导。

4．2 试验测试参数

根据GB 50010-2002混凝土结构设计规范，后张法预应力混凝土的预应力损失包括:1)张拉端锚具变形和钢筋内缩损失σl1(含锚口损失与夹片回缩损失);2)预应力钢筋的摩擦损失σl2(含孔道摩阻损失与转向器摩阻损失);3)预应力钢筋的应力松弛损失σl4;4)混凝土收缩、徐变引起的预应力损失σl5;5)混凝土局部挤压引起的预应力损失 σl6;这几项中，σl1，σl2，σl6为短期损失，本预应力试验选择池体结构的V3～V5的三圈换向预应力筋进行试验，由于试验部位的池壁截面较大，近似于块体结构，且构件的直径较大，试验对混凝土的挤压变形不予考虑，而σl4，σl5为长期损失，不会影响试验结果，因此本次试验主要针对σl1，σl2进行测试。

4．3 试验方法

4．3．1 孔道摩阻损失与转向器摩阻损失σl2

测试时把水平预应力束的两端一个作为张拉端，另一个作为固定端，在每端各布置2个锚索计，试验装置布置见图4，图5，其中工具锚2，3均不装夹片。在每次张拉过程中，2号和3号锚索计读数的差值即为本次张拉时因孔道摩阻产生的预应力损失，1号和2号(或3号和4号)锚索计读数的差值即为转向块摩阻损失。具体操作时，先A端为张拉端、B端为锚固端;再B端为张拉端、A端为锚固端;两次试验结果的平均值为实测摩阻损失。

图4 A端试验装置布置图

4．3．2 锚口损失与夹片回缩损失σl1

在每圈预应力钢绞线的张拉端布置2个锚索计，如图6所示，张拉预应力束到控制应力(0．8fptk)时，开始读数，5号、6号2个锚索计读数的差值即为锚口损失;然后将预应力筋锚固并读数，6号锚索计两次读数差即为夹片回缩损失。

图6 张拉端设备布置示意图

通过三圈预应力筋的试验，统计出预应力筋张拉至设计要求的张拉控制应力σcon(即0．8fptk)时的各项损失指标如下:

25°变角损失:4．54%;

孔道摩阻系数 μ =0．214(k=0．002);

锚口损失:5．81%;

预应力筋内缩引起的损失:11．45%。

5 预应力张拉

5．1 理论伸长值及油压表读数的计算

根据DGJ 08-235-1999后张预应力施工规程(上海市标准)，后张预应力筋张拉时理论伸长值Δl，按下式计算:

其中，Ep为预应力筋弹性模量，1．95×105;Fm为从张拉端到计算截面预应力筋的平均张拉力;l为从张拉端到计算截面的孔道长度。

其中，F为张拉断拉力，F=σconAp，Ap为预应力筋的公称截面积，139 mm2。

以V1为例(水平圆周半径r=11．377 m):

张拉力 F=σconAp=0．8×fptk×Ap=125 t。

锚口张拉端拉力F(扣除变角与锚口损失):

取 μ =0．214，k=0．002。

取张拉端至计算截面长度l(1/4圆周):

1/4圈伸长量:

半圈伸长量Δl/2=2Δl/4=126 mm。

一圈伸长量Δl=2Δl/2=252 mm。

根据施工实测伸长值的验证，上述计算公式符合规范计算要求。

5．2 实际伸长值的量测

预应力筋张拉伸长值的量测，在建立初拉力之后进行，实测的张拉伸长值:

其中，Δl1为初应力至最大张拉力之间的实测伸长值;Δl0为初应力至最大张拉力之间的实测伸长值;Δk为千斤顶长度内的张拉伸长值。另外为开始量测伸长值时的张拉力，一般为0．1F;F为锚固前测量伸长值时的张拉力。

5．3 环向预应力张拉

环向无粘结预应力筋采用变角张拉:预应力筋张拉端凹入混凝土池壁内，采用变角块张拉方法，变角器为25°。按次序安装限位板、变角器(偏转器)要求位置正确，各部件间紧密、缝隙小。再按要求安装千斤顶和相关的张拉杆、工具锚等。

千斤顶加载顺序为:0→0．1σcon→0．2σcon→0．5σcon→0．5σcon(回油)→1．0σcon(持荷2 mm 锚固)→锚固(σcon=0．8fptk)。

5．4 竖向预应力张拉

在张拉顺序上，预应力施工先张拉0．00以下水平向钢绞线，再张拉b，c型钢绞线，然后张拉剩余水平向钢绞线，最后张拉竖向a型钢绞线。

千斤顶加载顺序为:0→0．1σcon→0．2σcon→1．0σcon→锚固(σcon=0．8fptk)。

5．5 张拉控制要求

池壁混凝土强度达到100%，龄期1个月后方可进行张拉施工，水平向预应力均采用两点同步张拉，竖向预应力按设计图分别采用一端固定、一端张拉和两端张拉两种形式，张拉控制应力为0．80fptk，张拉控制采用应力和钢绞线伸长值双重控制，即从应力为零开始张拉至1．00倍预应力筋的张拉控制应力，同时校核钢绞线的伸长值，如实际伸长值大于计算值的10%或小于计算值的5%，应停止张拉，查明原因，采取措施予以调整后方可继续进行张拉。

6 预应力灌浆

6．1 孔道灌浆制浆要求

1)孔道灌浆采成品料灌浆，配合比为1∶0．34(料∶水重量比);2)浆体性能:采用UBC3．0灌浆泵和普通砂浆搅拌机，搅拌后3 h泌水率宜控制在2%，最大不得超过3%，24 h泌水应能被吸收，体积变化率不大于2%，流动度20 s左右;3)水泥浆体进入压浆泵前必须经过不大于1．2 mm筛孔筛网过滤;4)水泥浆拌合至灌入孔道的间隔时间不宜大于20 min，灌浆前应防止浆体沉淀离析;5)在标准养护条件下，浆体的7 d龄期强度大于30 MPa，抗渗性能大于1 MPa。

6．2 孔道灌浆施工

6．2．1 真空灌浆工作原理

真空灌浆工作原理:在孔道的一端采用真空泵对孔道进行抽真空使之产生负压(－0．06 MPa～－0．1 MPa左右)后，在孔道的另一端用灌浆泵进行灌浆，直至充满整条孔道，然后灌浆泵再给孔道施加0．7 MPa的正压力。从而获得更加饱满、密实的灌浆效果。

6．2．2 真空灌浆施工方法

1)搅拌灌浆料使其水灰比、流动度、泌水性达到技术要求指标;2)启动真空泵抽真空，使真空度达到－0．08 MPa～－0．1 MPa并保持稳定;3)启动灌浆泵，当灌浆泵输出的浆体达到要求稠度时，将泵上的输送管接到锚垫板上的引出管上，开始灌浆;4)灌浆缓慢、均匀进行，灌浆泵压力保持在0．5 MPa～0．7 MPa，在出浆孔流出的浆体稠度与灌入的浆体一致时，关闭出浆孔等，并保持1 min～2 min方可关闭灌浆泵;5)管道灌浆顺序为先下面孔道，后上面孔道，集中一处的孔道应一次完成，竖向孔道灌浆应由低端压入，高端溢出;6)待抽真空端的空气滤清器中有浆体经过时，关闭空气滤清器前端的阀门，稍后打开排气阀，当水泥浆从排气阀顺畅流出，且稠度与灌入的浆体相当时，关闭抽真空端所有的阀;7)关闭灌浆泵及灌浆端阀门，完成真空灌浆。

7 结语

通过精心组织，上海白龙港8座蛋形消化池成功运用了后张有粘结预应力变角张拉施工工艺，施工质量优良，且一次性通过了消化池闭水闭气试验，为国内外消化池的类似施工提供了宝贵的经验借鉴。

［1］GB 50204-2002，混凝土结构工程施工质量验收规范［S］．

［2］JGJ 85-2002，预应力筋用锚具、夹具和连接器应用规程［S］．

［3］DGJ 08-235-1999，后张预应力施工规程(上海市标准)［S］．

［4］CECS 216∶2006，给水排水工程预应力混凝土圆形水池结构技术规程［S］．

［5］GB 50268-2008，给水排水构筑物施工及验收规范［S］．