张利军 王亚锋
中交一航局第二工程有限公司 山东青岛 266071
根据应力施加时间、预应力筋的种类,预应力预制板施工可分为先张法和后张法;根据张放工艺又分为预应力筋整体张放和单根张放。对于构件质量轻、数量多的预制板等混凝土构件,常为长线法先张法施工。本文将介绍长线先张法预应力的整套施工工艺,重点介绍分析单根预应力张拉与整体放张结合的施工方案。并对施工过程中出现的问题,进行了原因分析及方案的优化调整。
智利圣安东尼奥国际码头扩建工程,码头结构形式为高桩梁板式码头,现将3号泊位南侧向陆侧扩建130.6m,宽31.8m;上部结构叠合板为单向预制板,板高 200mm,现浇面层厚300mm 。面板预制共计278块面板,预应力筋为直径12.7mm钢绞线预应力混凝土预制板,板内钢绞线最多14根,长5.6m、宽1.7m、板厚为200mm。码头面层断面图如下:
智利圣安东尼奥STI港1-3#泊位仍在停船运营,港内场地狭小,预制场选择在离港区18km外的空旷地。预制场附近有一条公路,具备大宗材料进场条件。预制场附近有三家混凝土站,最长10分钟的运输时间,满足混凝土的供应需求。
预制场设置了模板加工区、铁件加工区、钢筋加工及存放区、危险品及废料存放区、预制板台座施工区、预制板存放区和办公生活区。预制场占地面积约9000m2,满足上述区域布置要求。预制场平面布置图(见图2)。
预制台座设置为3道平行台座,台座长度68.7m,两侧留有宽度4m的硬化道路,用于混凝土罐车及汽车吊运输和操作停放。预制场南北单条预制线可生产14块预制板,三条生产线可以形成流水作业。
生产用水及排水,预制场主要为养护用水,由于预制场地处偏僻,自来水分时段供应,在现场配备两个储水箱。生产台座间留有排水明沟和集水坑。
供电:各个加工区集中在预制场东侧便于电路的铺设,预制场有吊机起重作业,选择电路地下敷设。
大型机械配备:
序列 名称 数量 用途1汽车吊 1 材料倒运2 30叉车 1 小型构建倒运3平板车 1 预制板运输
预制场面布置图(图2):
工艺流程:
施工方法:
(1)混凝土台座施工。混凝土台座要求浇筑完成后需对台座进行打磨,保证台座表面平整,存在裂缝的部分需进行修补打磨。每批次施工前应进行检查,使用鼓风机进行清理后,涂刷隔离剂。在施工过程中,应注意,为避免隔离剂污染钢筋与钢绞线,需在台座上铺设一层塑料薄膜。污染部分应使用清洗剂或吸油布进行处理。
在墩台牛腿处安装承载梁与放张梁(结构详见2.4)
(2)钢筋施工。在智利,使用的是智利标准A630-420H钢材,其性能与国内HRB500类似,属于高强度钢筋,韧性差,在钢筋加工时,弯曲半径较大,不得小于钢筋直径的4倍。不能进行热切割与焊接。钢筋主要为U型钢筋,安装过程中使用定位架,可加快施工速度和保证钢筋间距。绑扎过程中使用同强度性能要求的混凝土垫块,保护层厚度满足设计及混凝土施工规范的要求。混凝土浇筑前对钢筋、预埋件进行检查。
(3)模板。预制板横向侧模为凹槽结构,使用定型钢模板;纵向模板使用木模板。结构图如下。模板与台座间使用止浆带贴合,防止漏浆。侧模板支立前使用脱模剂进行涂刷,避免污染钢绞线和钢筋。
(4)钢绞线。钢绞线进场应检查其合格证是否齐全、规格是否错误。钢绞线为整捆包装输送至预制场,直接解开可能出现散盘情况,加工钢框架固定钢绞线线盘,钢绞线从内侧进行抽取,切断使用砂轮切割机,禁止使用气割。钢绞线表面应除去油污,避免影响钢绞线与混凝土握裹力。
(5)钢绞线张拉。本工程使用的是前卡式钢绞线千斤顶,设备交由智利实验室进行标定校验,根据实验室递交的数据,确定油压表与张拉力对照表。在钢绞线穿安完成,进行张拉前,检查锚具、夹片。
(6)钢绞线张拉施工。为了非预应力筋的施工安全,本工程在穿完钢绞线后,张拉至30%后进行纵向模板固定;对称进行逐级张拉至103%,完成锚固后,最后进行板端模板的固定。端部模板最后安装,目的为了避免钢绞线张拉过程中,对模板造成偏移。
(7)混凝土施工。由于本工程预制板的厚度仅200mm,混凝土的浇注过程中,保证混凝土密实情况下,应避免出现过振导致混凝土离析。振捣过程中均匀布点振捣,避免出现漏振。振捣设备不能振捣到钢绞线和钢筋上,会因此影响到已浇注预制板中混凝土与钢筋、钢绞线的握裹力。混凝土浇筑完成2小时内喷洒缓凝剂,18小时后使用10MPa高压冲洗水枪进行上表面冲毛处理。端部拆模后使用冲击锤进行凿毛处理。
(8)钢绞线放张。设计规格书中要求混凝土强度达设计强度的75%以上时方可放张。为了避免放张过程中出现钢绞线断裂、预制板损坏情况等安全质量隐患,本工程采用砂箱放张梁整体放张施工工艺。操作时对左右两个沙箱同步进行泄沙,保持沙箱行程一致。
预应力钢绞线张拉伸长计算:
(1)计算公式
钢绞线的公称直径DK=12.7mm,因此
计算结果:由于张拉台座长,初始时的钢绞线处于松弛状态,不能作为伸长值的参考,所以张拉前初应力一般为张拉控制应力的30%,使钢绞线绷直,以此为张拉伸长量的初始值。
张拉台座施工设计:
该项预应力面板施工,张拉系统采用重力式台座,钢绞线锚固在台座横梁上,台座承担全部钢绞线的拉力,故台座应有足够的强度、刚度和稳定性,以免台座变形,倾覆和滑移。重力式台座由端部重力墩,牛腿(承力架),台面加厚部分和台面组成。重力式台座结构尺寸见图:
台座承担全部钢绞线的拉力,故台座应有足够的强度和稳定性,以免台座变形、倾覆和滑移。重力式台座由端部重力墩、牛腿、台面加厚部分和台面组成。
台座需满足以下公式的要求:
(1)抗倾覆计算:
M-倾覆力矩,由钢绞线的张力力产生
计算结果:
G1·L1 2×3×2.5×24×(3/2+4.5) kN·m N·e 2000×0.25=500 kN·m G2·L2 0.3×4.5×2.5×24×4.5/2 kN·m M1 2160 kN·m M 500kN·m K0 4.86
(2)抗滑移计算:
N-钢绞线张拉力
N1-抗滑力,由台座及重力墩与地面摩擦力、墩台后方土压力产生
(3)计算结果:
台座受力计算宽度 B=6.55m 台座前土体的容重: γ=18kN/m3;台座前土体的内摩擦角: φ=35 台座与土体间的摩擦系数: f=0.30台面抵抗力: 300kN/m 台面反力:N0=Bμ 1965kN台座与土体之间的摩擦力: F=F1+F2=(G1+G2)*f 346.63kN台座后的土压力Ep:Ep=p·B= pγH [ tg2(45■+φ/2)-tg2(45■-φ/2)]806.3 kN抗滑动力: N1 = N0+F+Ep 3118kN抗滑动安全系数: KC = N1 / N 1.60
(4)牛腿混凝土抗压强度验算:
牛腿部分为C30混凝土,牛腿承载面预埋0.5m×0.4m×0.014m钢板,轴心抗压强度标准值取20.1Mpa,
牛腿开裂验算
计算依据砼结构设计规范GB50010-2011 牛腿验算公式:
式中:Fvk—作用于牛腿顶部的水平力,即钢绞线拉力的合力的一半取
Fhk—作用于牛腿顶部的竖向力,此为零
β—裂缝控制系数,静载取β=0.8
ftk—混凝土轴心抗拉强度标准值,C30取20.1N/ mm2
a—合力作用点距台面距离,
b—牛腿宽度取0.5m
h0—牛腿长度的有效值,既牛腿高度减去钢筋保护层厚度
计算结果:
Fhk 1000kN b 0.5m a 0.3h0=0.3(0.9-0.05)=0.255m β 0.8 h0 0.85m Fvk 3086kN
(5)牛腿受拉配筋验算
牛腿受拉配筋:牛腿结构配筋图如下:
依据砼结构设计规范GB50010-2011
计算结果:
FV 1000kN fy 310N/mm2 a 0.3h0=0.3(0.9-0.05)=0.255m h0 0.85m As 1004.6mm2 配筋 4根HRB400 22mm
牛腿箍筋设置:四肢箍筋的直径选择12mm螺纹钢 , 间距为100mm;且在上部 2h0 / 3范围内的水平箍筋总截面面积小于承受竖向力的受拉钢筋截面面积的二分之一。
支撑横梁与放张梁设计:
张拉台座两端墩台,分别为张拉端与放张端;在4处牛腿支撑面安放张拉梁(3跨连续梁),张拉端用于前卡式张拉千斤顶张拉施工(结构形式见左图);放张端墩台处,在支撑横梁的基础上安装砂箱与放张梁(见下右图)。
支撑横梁与放张梁的强度、刚度应满足要求,应对其进行设计计算。
根据台座布置图以及预应力钢绞线的布置,横梁拟选用25mm厚钢板焊接而成,横梁长 3 米,两端与牛腿端头钢板焊接成固定,其结构受力如图所示:
承载梁应满足:
放张梁计算结果:
I45a惯性矩 I45a=32241cm4工字钢两侧加焊25mm钢板组合梁中弯矩最大值最大应力值最大挠度值
张拉横梁计算结果:
腹板钢惯性矩 I1=b×h3 /12=2.5×453 /12=18984.37cm4翼板惯性矩I2=b×h3 /12=40×2.53 /12=52.08cm4 I2总=Ⅰ2+b×h×y2 =52.08+40×2.5×23.752=56458.33cm4组合 26822.86cm4梁中弯矩最大值Mmax =1000kN⋅m最大应力值σ=Mmax y=110≤210N/mm2 I IZ= I1总+I2总+I3总=113906.2+56458.33+56458.33=2最大挠度值
张拉梁与放张梁的设计满足施工强度刚度要求。
台座使用隔离剂,钢绞线、钢筋与台座间没有采取隔离措施,导致钢绞线和钢筋被污染。防治的措施:应在台座上铺设塑料布,钢绞线、钢筋支撑可靠,与台座分离时,将塑料布撤走。钢筋与底模之间使用构件相同混凝土制作的混凝土垫块。对于已经被污染的钢筋、钢绞线应使用吸油布进行处理。
气泡:搅拌时间过长,会使混凝土中引入更多的气泡。由于运距过长,混凝土运输车对混凝土的搅拌过程中也会进入过多的空气。脱模剂对气泡具有极强的吸附性,混凝土构件侧面气泡会吸附在模板上而成型于混凝土结构的表面,混凝土内的气泡无法随机械振捣而随着模板的接触面逐步上升,因此侧面出现了较多气泡。但超振或欠振以及漏振,对混凝土的表面都会出现气泡缺陷。超振会使混凝土内部的微小气泡在机械作用下出现破灭重组,形成密集气泡。
麻面:模板表面粗糙或粘附水泥浆渣等杂物未清理干净,拆模时混凝土表面被粘坏;模板未浇水湿润或湿润不够,构件表面混凝土的水分被吸去,使混凝土失水过多出现麻面;模板与台座密封不严,局部漏浆;模扳隔离剂涂刷不匀、漏刷。混凝土表面与模板粘结造成麻面;混凝土振捣不实,气泡未排出,停在模板表面形成麻点。
防治的措施:模板表面清理干净,不得粘有干硬水泥砂浆等杂物,浇灌混凝土前,模板应浇水充分湿润,模板缝隙,应用止浆带,模扳隔离剂应涂刷均匀,不得漏刷;混凝土均匀振捣密实,至排除气泡为止;应在麻面部位浇水充分湿润后,用专业修补砂浆,将麻面抹平压光。其中新老混凝土交接处,还需要进行界面处理,预防后期空鼓以及表面脱落等危害发生。
混凝土具有热胀冷缩的性质,智利圣安东尼奥为临海地区,昼夜温差较大,白天阳光照射强,夜间骤然降温,结构表面温度急变,而混泥土内部温度则变化缓慢,进而形成了混凝土内外温差,前期混凝土强度较低,容易产生温度裂缝。
预应力板设计厚度仅为200mm,且上部无纵向钢筋,预应力钢筋放张后,面层上部应力为拉应力,面板顶面容易发生裂缝。
防治的措施:混凝土浇筑完毕及时覆盖养护,降低昼夜温差和日照的影响;与设计、监理进行沟通,增加预制板上部纵横钢筋网。
原因分析:千斤顶的拉力不准确,实际张拉时钢绞线与孔道之间有摩阻,摩阻力在千斤顶实际加荷使用过程中发生变化,千斤顶的实际张拉力发生偏差。预应力钢筋的实际弹性模量与计算时的取值不一致;从钢绞线实验报告中看出,钢绞线的弹性模量比规格值大,对伸长值的计算影响较大。改进措施:对每一批次钢绞线进行抽验实验;每两个月进行千斤顶校核。
钢绞线的断裂断裂原因:因锚具质量问题或施工技术问题导致锚具的工作效率不足;断裂发生在热损伤或机械损伤处 。单根钢绞线放张应力减小后,其应力传递给剩余钢绞线上,当剩余钢绞线的应力增加到其抗拉强度极限时发生钢绞线断裂。
改进措施:采用砂箱整体放张施工工艺,整体放张控制左右砂箱行程,可使钢绞线的应力迅速降低,安全可靠。
通过工程实际情况可知,对长线预应力施工工艺中设计计算合理,满足大批量预制板施工需求。对施工各个环节提供了可靠的公式计算,本文施工方法可为同类工程施工提供参考。
在施工安全与工作效率上可以看出,在长线法预应力施工,采用整体放张施工更为经济安全。
在成本控制上,台座设计施工仍可进一步深化研究和改进。