缓粘结预应力技术在高铁站房中的应用研究

白国岩

(中铁十六局集团电气化工程有限公司 北京 100018)

1 引言

随着国民经济的不断发展，铁路运输在国民经济中的作用和地位日益提高，越来越受到国家和社会的重视。无论铁路桥梁还是高铁站房，预应力技术都是工程结构中的重要技术手段。

有粘结预应力和无粘结预应力是最常见的预应力技术。但它们都存在明显的缺点，如有粘结预应力技术、施工工艺复杂、预应力接缝使用条件有限、灌浆压实困难等，影响了结构的耐久性，降低了结构的承载力。而无粘结预应力技术虽施工工艺简单，但不符合抗震要求，无法在梁中使用，且结构耐久性差。在此基础上，上世纪80年代由日本首先开始研发并应用ECF钢绞线即缓粘结预应力钢绞线[1]。缓粘结预应力技术无需预留孔道、无需灌浆、施工简便、施工质量更易保证、提高了结构的耐久性与安全性，且摩擦系数小、预应力损失小，节省材料。孙长江[2]提出过缓粘结预应力筋施工工艺。吴转琴等[3]通过多组拉拔试验，证明了缓粘结材料与钢绞线有较强的粘接力。王占飞等[4]通过一系列拉拔试验，发现缓粘结预应力筋的摩擦阻力、粘结性能与缓粘结材料的固化程度成正比。

自2009年以来，我国先后制定并实施了《缓粘结预应力钢绞线》(JG/T 369—2012)、《缓粘结预应力钢绞线专用胶粘剂》(JG/T 370—2012)等多项标准和规范。目前缓粘结预应力技术已经在多项工程中进行了应用，包括赣州西站、襄阳东津站、北京大兴国际机场等一批工业与民用建筑。但总体而言，缓粘结预应力技术在铁路领域的应用暂未普及[5]。

本文结合晋城东站、高平东站工程实例，针对缓粘结预应力技术在此类结构中的应用，提出一整套施工工艺，并且针对预应力摩擦损失与缓凝粘合剂特性之间的联系展开试验研究。

2 工程概况

新建太焦城际铁路站房TJZF-3标共包含晋城东站、高平东站两个站房。

(1)晋城东站

晋城东站主体为钢筋混凝土框架结构，建筑面积为19 999 m2，建筑总高度为23.95 m。屋盖中部钢网架结构，屋面为直立锁边铝镁锰合金屋面板；站台雨棚建筑面积为15 654.5 m2，建筑高度5.5 m。

(2)高平东站

高平东站主体2层，为钢筋混凝土框架结构，屋盖中部钢网架结构，屋面为直立锁边铝镁锰合金屋面板。站房总建筑面积为9 999.5 m2，站房建筑高度19.75 m。

3 缓粘结预应力施工工艺

高速铁路站房施工具有工程量大、工期紧、结构分段、分期工程多及质量要求高等特点。从施工角度出发，以解决施工现场实际问题为导向，分析缓粘结预应力在施工过程中所遇到的难点，并有针对性地提出解决方案[6]。

3.1 缓粘结预应力梁、板、柱施工工艺流程

施工工艺流程见图1。

图1 缓粘结预应力施工流程

3.2 预应力筋下料

3.2.1 缓粘结预应力筋下料

应综合考虑设计曲线长度、张拉端伸长预留长度、弹性收缩值、张拉设备及施工方法等因素进行预应力筋的下料长度[7]。对缓粘结预应力筋其下料长度L应按下式计算(L1仅应用在梁内)。

单端张拉时:L＝L0＋L1＋L2

双端张拉时:L＝L0＋L1＋2L2

式中，L0为缓粘结钢绞线的投影长度；L1为曲线增加长度；L2为缓粘结钢绞线的操作长度。

预应力钢筋下料应在平整场地进行，下料长度应按直线确定。注意预应力筋的外露长度应该符合规范要求:对于单端张拉预留张拉端长度为1.0 m，对于双端张拉预留张拉端长度为1.8 m；将预应力筋拉直后再切断；使用砂轮切割机规范切割，并做好安全防护，不得使用电弧切割。

3.2.2 缓粘结预应力筋组装

缓粘结预应力筋固定端常采用挤压型锚具，其组装形式同无粘结类似，其组装步骤如下:

(1)根据钢绞线的规格，选择相应型号的挤压锚具。

(2)根据不同型号锚具去除一定长度外包护套并将剥开部分钢绞线上剩余胶粘剂去除。

(3)先安装铁板，然后安装挤压锚，同时应当使挤压簧、挤压套、钢绞线重合在同一水平切面内以保证挤压质量。

(4)在挤压模具及锚具上涂抹专用挤压油完毕后，开机进行挤压。

3.3 预应力筋穿束

预应力筋穿束主要采用逐根穿束和集束穿束两种方法。逐根穿束是将缓粘结预应力筋逐根穿入结构中；集束穿束是将同一束缓粘结钢绞线下料后绑扎成束，然后一次穿入结构中。实际施工中应根据项目的具体情况选择穿束方法。

3.4 端部预埋安装

端部预埋主要包括固定端和张拉端。

3.4.1 固定端端部预埋安装

预埋固定端时，确保固定端承压板和螺旋钢筋固定在构件表面足够深处，并按设计高度固定好锚固端和承压板。焊接时注意保护外露的预应力钢筋。

3.4.2 张拉端端部预埋安装

根据设计的预埋位置来安装张拉端端部，确保预应力筋和承压板之间呈90°。

(1)外凸式的张拉端

安装时将螺旋筋和承压板靠近端部固定。

(2)内凹式的张拉端

将承压板固定在构件表面足够深的位置，以使锚具不会露出部件表面。同时调整承压板四周钢筋，确保千斤顶张拉时有足够的张拉空间，然后在承压板外侧安装穴模，进行承压板焊接。

3.5 混凝土浇筑

混凝土浇筑前，先进行隐蔽工程验收。为防止预应力筋偏离原位置或损伤PE外护套，混凝土振捣时振捣器不得长时间接触缓粘结预应力筋。混凝土达到一定强度后，拆除预应力张拉端侧模，清理张拉预留孔。如果发现固定端或张拉端混凝土存在外观质量缺陷，应在张拉前进行处理，待混凝土达到规定强度后方可张拉；底模支架的拆除应符合设计要求。当设计无具体要求时，张拉前不得拆除底模。

3.6 预应力筋张拉

缓粘结预应力张拉施工中，采用以主要控制张拉力，以张拉后的伸长值作为校核依据的“双控法”进行质量控制。其偏差应在±6%的理论伸长值范围内。

张拉值应考虑锚具引起的回缩变形σl1以及预应力筋摩擦损失σl2等因素[8]，张拉控制应力为0.7 fptk，即1 395 MPa。

预应力钢筋的张拉方法应根据设计和施工计算要求确定，采用一端张拉或两端张拉。两端张拉时，可同时张拉两端，或先张拉一端，再张拉另一端。对于特殊预应力构件或钢筋束，应根据现场情况采用分级张拉、变角张拉、冬季预热张拉等特殊的张拉工艺。

3.7 预应力端部封锚

预应力钢绞线张拉后，可使用手提式砂轮锯切割锚具处外露的预应力钢绞线。剩余外露钢绞线的长度≥30 mm。预应力锚具涂防腐油脂后，应密封锚具盖进行保护。锚具封堵前，清除预应力筋上的砼残浆、油污等杂物，用水冲洗湿润，冲洗干净后应清除混凝土表面上留下的积水。采用与结构强度等级相同的细骨料混凝土(封堵材料中不得使用掺有氯化物的外加剂)填充和堵塞张拉端穴槽，且填充密实。混凝土初凝时，等表面收干后终凝前，用抹子搓压表面2～3遍，防止混凝土表面出现裂缝[9]。

4 缓凝粘合剂的稠度对预应力筋摩擦损失的影响研究

4.1 试验方案

试验通过三种试件类型制作，分别对局部偏差系数κ、曲率摩擦系数μ和胶黏剂稠度等参数进行测定。试验中采用直径为15.2 mm的缓粘结与无粘结预应力钢绞线，选用强度C40的混凝土以及固化期为4个月，标准张拉适用期为80 d的胶粘剂。

本试验采用后张法，后张法预应力技术在张拉作业时会产生两种摩擦损失，一是预应力筋在布置时局部发生偏差而导致的沿长度的预应力摩擦损失，如果预应力筋在布置时是标准意义上的直线，那么与孔道壁将不会产生挤压力，此项预应力损失为零[10]；二是曲线筋在张拉时对孔道壁产生压力之后引起的摩擦损失，依据预应力体系摩擦损失理论，计算出摩擦系数。

(1)测定局部偏差系数κ试件

制备长8 000 mm，截面尺寸400 mm×400 mm的混凝土梁，保护层厚度取为30 mm，每一构件中铺设6根缓粘结预应力钢绞线和3根无粘结预应力钢绞线[11]，极限强度标准值均为1 860 MPa，采取构造配筋，钢筋强度为HRB400级，如图2所示。

图2 直线布筋构件示意

在缓粘结预应力钢绞线表面粘贴测温线，检测试件所处温度。构件在固定端需要安装承压垫板、压力传感器、垫板、锚具，在张拉端需要安装承压垫板、压力传感器、垫板和千斤顶。

(2)测定曲率摩擦系数μ试件

制作长4 000 mm，宽1 600 mm、厚400 mm的混凝土板，包含三组分别为Π/6、Π/3和Π/2不同包角的预应力筋，每组包含3根缓粘结预应力钢绞线与1根无粘结预应力钢绞线；同时为研究局部偏差摩擦系数与预应力筋长度的关系，在板中添置3根直线缓粘结预应力钢绞线。预应力钢绞线平面布置见图3。

图3 曲线布筋构件示意

(3)胶黏剂特性试件组

在缓粘结预应力钢绞线胶粘剂生产时预留10 kg胶黏剂，制成30个黏度测试试件、60个稠度测试构件与40个硬度测试试件。其中15个黏度测试试件、30个稠度测试试件与20个硬度测试试件放入试验所测温度箱养护，剩余一半试件放入25℃恒温箱中养护。

4.2 试验流程

试验时首先张拉梁中的直线预应力钢绞线，张拉时通过油泵上液压表读数粗略控制加载力，通过与传感器所配套的显示仪读数精准控制，测得摩擦力，计算局部偏差系数；然后张拉板中的曲线与直线预应力钢绞线，测得摩擦力，计算曲率摩擦系数；将预留与钢绞线同批生产的胶粘剂制备黏度、稠度与硬度试件，一半放入25℃恒温箱，另一半放入温度箱并根据测温线测出的温度进行调节，做到与构件内部胶黏剂同条件养护，定期取出试件，测试其黏度、稠度和硬度。绘制黏度、稠度和硬度随时间的变化曲线。

4.3 试验结果及分析

4.3.1 胶黏剂的稠度和硬度分析

试验中混凝土浇筑龄期为8 d。混凝土在发生水化时会放出大量的热，由于混凝土的热传递性较差，导致构件结构内部热量散发很慢，温度升高[12]，从而对构件内胶黏剂性能产生较大影响。在钢绞线表面布置测温线来监测缓粘结预应力钢绞线温度变化，试验结果如图4所示。

图4 缓粘结预应力钢绞线温度变化

混凝土在浇筑后的18 h内，温度迅速上升，最大温度47℃。由于包角为90°的缓粘结预应力钢绞线在混凝土板最中心位置，所以测试温度最高。构件中钢绞线通过测温线所测温度开始与试验温度箱保持一致。定期测试试验温度箱中胶粘剂的黏度、稠度和硬度。

胶黏剂在制备完成后第5天测量初始黏度与稠度，此时混凝土尚未入模，胶黏剂的温度与环境温度相同。测得初始黏度为1.18×106mPa·s，稠度值为341.4。对试验所测温度与25℃恒温条件下养护的胶粘剂分别定期测试黏度、稠度与硬度值，其结果如图5、图6所示。

图5 黏度变化曲线

图6 稠度与硬度变化曲线

从图5中可以得出，胶粘剂在25℃恒温条件下养护时，其黏度随时间呈现上升的趋势，而且前期上升速率快，后期上升速率减慢。试验所测温度条件下养护的胶粘剂，在前期黏度值随时间增加，但当混凝土开始浇筑产生水化热，温度快速上升时，胶粘剂迅速变稀，黏度值立刻下降，远低于25℃恒温条件下的稠度值。随着混凝土浇筑完成，水化反应结束后，温度逐渐回落但始终高于25℃，此后，胶粘剂黏度呈现上升趋势，上升速率由慢到快，这是因为在较高的温度期间，胶粘剂内部的固化反应速度加快。试验所测温度条件下养护的胶黏剂黏度在龄期为22 d达到最大值，而25℃恒温条件下是第30天达到最大值，两者差值为8 d。本次试验测量黏度时因插捣力度与仪器等相关因素导致两种条件下的黏度发展曲线未能保持一致。

图6为试验所测温度和25℃恒温条件下养护的胶粘剂稠度和硬度随时间变化的曲线。观察稠度曲线发现，胶黏剂在25℃恒温条件下的稠度表现出稳定下降的趋势。而在试验所测温度条件下的稠度刚开始保持不变，在混凝土浇筑发生水化放热之后，胶粘剂稠度快速增大，胶黏剂内部固化反应速率加快，随后在胶黏剂龄期为11 d时稠度开始快速减小，在胶黏剂龄期为19 d时稠度开始小于25℃恒温条件。在胶黏剂龄期为49 d的时候，取出试验所测温度条件下的一个胶黏剂样品，放入高温箱养护1 h后拿出发现与原状态一样，同时将25℃条件下胶黏剂取出并进行相同操作，从温度箱拿出时胶黏剂变稀，但在短时间内恢复，说明此时试验所测温度条件下的胶黏剂固化反应程度更高。胶黏剂龄期为78 d，试验所测温度条件下的胶黏剂稠度为0，25℃条件下在龄期为89 d时为0，两者相差11 d。

观察图6硬度曲线发现，试验所测温度条件下的胶黏剂硬度曲线始终在25℃恒温条件下的硬度曲线之上，两者均保持着上升趋势，且硬度差值逐渐减小，在胶粘剂龄期120 d时二者硬度值接近。在胶粘剂龄期75 d时，硬度计在试验所测温度条件下胶黏剂硬度试件留下的针孔发生改变，由大变为小、细且发白的孔眼，说明胶黏剂固化程度进一步加深。两种条件下的胶黏剂在硬度达到80 D之前硬化速度较快，硬度超过80 D之后，硬化速度明显缓慢。

两条曲线综合来看，出现硬度时，稠度为50左右，稠度为0时，硬度为48 D左右，表明当温度升高时使胶黏剂稠度下降速度增快，会提前出现硬度，但稠度与硬度变化规律相似，说明此规律与养护温度无关，温度只对胶黏剂的实际张拉适用期产生影响。

4.3.2 缓粘结预应力钢绞线的摩擦系数分析

为方便记录，对预应力钢绞线进行标记，如8 m左上，为梁中左上角的缓粘结预应力钢绞线；8 m无，为梁中无粘结预应力钢绞线；4 m直上，为板中最上方的直线缓粘结预应力筋；90°上，为板中最上方包角为90°的曲线缓粘结预应力筋；依此类推。

预应力筋在胶黏剂龄期为32 d进行首次张拉试验，环境温度为30℃，此时两种条件下的胶黏剂黏度均无法测试。预应力钢绞线局部偏差系数如图7所示。

图7 局部偏差系数与稠度关系曲线

分析图7可知，当胶粘剂稠度值大于45.9(即胶粘剂龄期为少于53 d)时，局部偏差系数和曲率摩擦系数几乎不变，此时κ为0.002，μ为0.10～0.12。当胶粘剂稠度为31.2、硬度为9.7(即胶黏剂龄期为60 d)，κ为0.008 2，μ为0.21，摩擦力增加，摩擦系数发生了突变。可以推断，本次试验胶粘剂的张拉适用期为53 d。在图7中，曲率摩擦系数数据的离散性较大，这是因为曲线预应力筋在张拉时需使用转向块，千斤顶加载作用下，转向块会发生滑移而偏离原来的方位，从而牵动千斤顶，使千斤顶的张拉方向与预应力筋孔道不在同一平面内，促使摩擦力增大，延迟了拉力传至固定端的时间。曲线筋在最后一次测得的曲率摩擦不升反降，这是因为同一时段测得的κ值过大，从而使得本次测得的摩擦系数无法反映真实情况。进而采用滑动摩擦力进行计算。最终持荷之后的张拉端拉力减去固定端的拉力，再除以预应力筋长度，得出单位长度滑动摩擦力，如图8所示。对于曲线筋而言，预应力筋单位长度滑动摩擦力能比曲率摩擦系数更直观地反映实际张拉适用期。

图8 单位长度滑动摩擦力与稠度曲线

5 结束语

针对新建太焦城际铁路晋城东站工程预应力施工中存在的问题、重点和难点，提出了解决方案，为制定采用缓粘结预应力技术的高速铁路站房施工方法提供依据，并为其他类似工程提供参考。

缓凝粘合剂在张拉适用期内黏度较小、稠度较大，张拉时产生较小的摩擦力。由于缓凝粘合剂受温度影响较大，当现场施工温度超过标准温度25℃时，缓凝粘合剂的固化会被加速，摩擦损失增大，提前达到张拉适用期。因此，现场需要对施工温度以及缓凝粘合剂的实际张拉适用期有较为准确的把控，以保证在摩擦损失较小的张拉适用期内完成张拉。