后张法预应力钢筋混凝土施工技术要点

任 剑

（中海油石化工程有限公司，山东 济南 250013）

目前，我国LNG 全容罐的外罐都是用预应力钢筋混凝土结构建造的。在钢筋混凝土主体结构中预设环向与竖向孔道，然后通过预应力后张拉法，为储存罐的外部部分施加预拉应力，保证外部罐体的混凝土始终处于压力状态，即便在储罐内罐出现故障，外部罐体也能够承载全部的LNG液体，进而避免罐体破裂和天然气泄漏。为避免预应力施工的不良影响，需要施行合理的工艺技术，提高预应力工程建设质量，从而构筑符合标准的LNG 储罐。

1 工程概况

本工程主要负责建设16 万m3的LNG 全容储罐，以及相关配套设施等建筑物，储罐外罐的预应力工艺主要参数如下。（1）周长84m 的混凝土外罐中，直径是40.52m，此数值是从环梁顶部开始计算的，1 层与2 层墙体为变截面，厚度由0.08m 逐渐增加到0.65m，3 层以上标准墙厚度为0.65m，并在罐体墙四周均匀放置4 根支撑柱。（2）预应力80 层环状水平钢绞线束总计160 对，每一束由19 根钢绞线组成，围罐体半圈，两束以一周圈方式垂直排列，并且各自对齐，安装在4根支撑柱上，每一束的长度是140.05m。128 根竖向预应力钢绞线，每束由12 根钢绞线组成，顶部固定在罐壁顶部环梁上，底部则固定在承台下方，每束长度大约为42m。（3）预应力钢绞线选择直径为15.7mm、公称面积为150mm2且强度达到1 860MPa 的钢绞线，采用0.5mm 厚的镀锌钢带卷制的镀锌金属波纹管作为预应力管道，其中，竖向束波纹管直径为Φ80/87mm，水平束波纹管直径为Φ100/107mm。

2 储罐预应力施工重难点

（1）预先安装的环形管线布局存在较大偏移。因此，进行储罐环形预应力筋拉伸时，要消除钢绞线和孔洞之间的摩擦力，给储罐墙壁一定的预压力。本工程中，应用μ=0.19/rad 的预应力设计摩擦系数，k=0.001/m 摆动不变数。假如铺设的环形预埋管弧度和标高出现偏差，或者在灌注混凝土时因建造需要引起了预埋管偏移，都会在后续预应力拉伸操作中加剧钢绞线和孔道之间的摩擦，从而导致最后的预拉力不满足规定要求。（2）预应力钢绞线拉伸过程中钢绞线可能出现滑动、破损和过度拉伸等问题。大部分储罐都设立在海滨地带，钢绞线被束紧并暴露在大气中，因此，更容易出现锈迹。而且，在预应力孔道内部安装的钢绞线拉伸时会遇到力量分配问题，可能使钢绞线拉伸过程中发生滑丝、破裂、超负荷拉伸等状况。（3）环向和竖向预应力管道长度过长，使得管道内部状态的监测变得困难。此外，单个预应力管道灌浆量较大，使得管道内灌浆密实度控制困难，不能保证100%的灌浆密实度。

3 预应力施工流程

第一，安装预应力锚座时，必须特别关注其固定方法，确保其稳固。在预应力锚座上，两个螺栓孔起到了固定锚座和灌浆帽的功能，但可能会产生冲突，因此，需要给予足够的重视。第二，预应力波纹管的安装位置直接影响其使用寿命。如果波纹管的安装位置波动较大，那么后续灌浆工作将无法覆盖整个波纹管，可能会加速钢绞线的腐蚀速度。在预应力波纹管安装过程中，必须确保其稳固。同时，需要对波纹管的完好状态和连接部位进行严格的密封检查。第三，混凝土浇筑前进行通球试验，以保证波纹管畅通。第四，混凝土浇筑过程中进行通球试验，以便混凝土浇筑时及时检测波纹管是否受损，或者是否有漏浆阻塞。第五，钢绞线穿梭包括竖向和水平钢绞线运动，其中，钢绞线施工需要使用脚手架。预应力工程是在高空进行的，因此，施工的安全性是关键的控制因素。第六，钢绞线的切割和保护，需要考虑到锚环和夹片的设置，同时需要切割和保护钢绞线。VSL 提供了双层夹片，笔者推荐使用3 层并配有橡胶套箍的夹片。第七，预应力钢绞线的拉伸过程包括安装弹簧和顶部块，安置千斤顶和千斤顶后的夹片。开始拉伸工作时，油压计和千斤顶需要每半年检查一次，如果千斤顶的行程不足，则需要二次拉伸，并测量千斤顶的行程。第八，预应力孔道灌浆。首先，进行灌浆材料混合比例、流动特性和硬度测试。其次，进行灌浆材料的收缩率测试，并储存水泥和添加剂，对灌浆材料进行搅拌。最后，安装竖向预应力灌浆存浆斗，要保证灌浆帽安装正确，如果灌浆帽有漏浆情况，可以使用脚手架顶丝作托盘来固定灌浆帽。

4 后张法预应力钢筋混凝土关键施工技术

本项目采用了后张法预应力技术施工外罐墙体。每一束后张锚都由12 根钢绞线组成，这些钢绞线是根据BSEN10138 的标准生产的，规格是10mm×70mm，长度是15.70mm，抗拉强度等级是1860N/mm。预应力筋设计方式包括水平环形和竖直两种。其中，从上到下的环形预应力筋划分为50 道，每道两组。扶壁柱应用于环向水平预应力筋后张锚固。预应力筋纵向分布有36 道，且均匀分布在外罐的墙体内，锚具主要安装在储罐的顶部圈梁上。

4.1 预留管道安装

4.1.1 预留管道材料

选择Φ80mm×3mm 的金属波纹管作为水平环向预留管道材质，Φ89.10mm×3mm 的无缝钢管用于纵向预留管道。

4.1.2 管道连接方法

使用直径为85mm 的Φ 型波纹管作为水平环形的连接部分，其长度在200～300mm 之间；连接波纹管后，使用密封胶带进行封闭，以避免在灌注混凝土的过程中，水泥浆流入管道，导致阻塞。采用承插式方式进行纵向管道连接，首先通过扩孔设备扩大钢管的一端，然后在其接口部位覆盖塑料保护层，再进行热压密封，最后使用Φ12mm 的钢筋进行稳固。

4.1.3 固定方法

选择Φ12mm 钢筋作为水平环向波纹管的固定支架，如图1 所示。牢固焊接支架与两侧的钢筋网片，用16#铁丝紧密捆绑波纹管与支架，使波纹管能够按照预设的曲线进行定位，形成流畅曲线形状。钢筋支架之间的间隔不能超过800mm，如果预埋件与支架发生碰撞，可以适当调整支架位置，在罐壁钢筋绑扎完成后，需要安装纵向钢管，需依照施工缝位置确定长度，并保证与每一次墙体浇筑高度一致。将短钢筋对接头套管的上端及中心区域与储罐墙的主钢按照“井”字形焊接。

图1 水平环向波纹管钢筋支架固定方法

4.1.4 水平环形波纹管安装

安装水平环形波纹管的过程中，必须将其顶至接口，以避免波纹管的弧度发生剧烈变化，同时保证水平。在封闭模具前，需要检查、验收波纹管，检查其是否存在破损。而在每一段混凝土浇筑前，需要逐一检查纵向钢管的垂直度、位置和固定状态。安装波纹管时，需要反复弯曲，以避免管壁破裂。同时，要防止在附近进行火源操作，避免损伤管壁。

4.1.5 压浆孔设置

在管道中预设压浆孔，在最高位置设置排气孔，如有必要，在最低处设置排水孔。在穿束前和混凝土浇筑完成后，需要清洁孔道，并进行通球测试，以确保孔道流畅。在施工期间，需封闭预留管道的两端孔洞与排气孔，以阻止水泥浆或其他外来物质侵入。安装锚座时，4 支螺栓应固定在支撑壁柱锚具模板上，灌浆口则设在锚座顶端。

4.2 钢绞线穿束

4.2.1 穿束方法

水平环向钢绞线穿束时，应按照一定顺序穿过预埋孔道，在进行纵向钢绞线穿束时，选用集中穿束的技术。穿束前，使用胶带包裹预应力筋的末端，降低摩擦力，同时避免损伤波纹管。

4.2.2 预应力束布置

在水平环向上，每一束预应力钢绞线被划分为I、Ⅱ、Ⅲ、IV4 个组别。其中，I 和Ⅱ组、Ⅲ和IV组各自位于同一水平面上，并围绕外罐墙体一圈，然后分别固定在4 根呈90°对称排列的竖向扶壁柱（B 和D、A 和C）上，如图2 所示。竖向预应力钢绞线的两侧分别固定在外罐墙的底部与顶部，在高度方向呈间隔布置。只有当储罐的外部壁面混凝土达到规定强度时，才可以进行穿束工作。在钢绞线穿束工作结束后，需保证操作长度及端部能够被密封保护，以防止水或其他杂质进入孔道。

图2 水平环向预应力束布置

4.3 预应力张拉

主要通过锚固区将预应力钢绞线的拉力传递到结构中，因此，在进行钢筋混凝土张拉操作时，必须达到设计标准；如果无法达到设计标准，钢筋混凝土的强度也不能低于设计中规定的标准混凝土的75%。在进行张拉操作时，需要有统一的指导，并且要遵循张拉顺序。在张拉过程中，应从零开始，逐渐增加到初始拉力，首先要测量出拉伸值的初始数值，再根据平稳速度进行分级和分级加载，直至达到最终的张力。当钢绞线的拉伸力度达到可控制水平时，其张拉速度应维持在2min，根据本工程设计，将其分为50MPa、100MPa、200MPa、300MPa、400MPa、500MPa、570MPa、600MPa 和50bar 张拉阶段。完成张拉操作后，应检验预应力钢绞线的伸展情况，实际伸展值与预设伸展值的偏差不应超过±6%。锚杆拉伸部分的内部收缩必须满足设计要求，对于没有特殊要求的，应在6～8mm 范围内。同时，必须认真完成所需的初步记录。由于预应力钢绞线的破损与滑移会显著改变建筑部分的承重能力，因此，应在张拉操作的过程中采取适当的预防措施。后拉预应力破裂与滑动规定为：其范围应在一个相等的横截面上，预应力钢筋的比例必须在3%以下，且仅限于1 根钢绞线。在张拉操作完成并通过检查，确认满足规定的条件下，使用砂轮机完成切割，所需长度应为钢绞线直径的1.5 倍，不得低于30mm。本项目使用的钢绞线直径是15.7mm，切割长度大于30mm。

4.4 预应力孔道灌浆

（1）后张预应力结构设计过程中，预应力孔道灌浆不仅可以防止钢筋腐蚀，还可以将预应力钢筋和混凝土相结合，实现整体应力效应，同时减轻锚杆系统的荷载。（2）必须保证灌浆完全、紧实，完全覆盖住预应力钢丝。（3）预应力钢筋张拉后承受的压力较大，且对张拉过程中的腐蚀反应极为敏感，因此，必须严格遵循设计规定，在28d 内完成预应力混凝土灌浆。（4）使用水泥浆，根据相关标准检查、配比原材料，水泥浆的水灰比必须保持在0.45 以下（添加减水剂情况下）。为提高混凝土密实度，可以将水灰比调整到0.35～0.38。（5）混凝土浇筑3h 后排出的水分不能超出3%，24h后排出的水分需要被混凝土充分吸收，混凝土的流动速度要保持在10～16s。（6）在进行注浆操作时，必须保证使用的高强度胶管不会破裂，且连接部位需要稳定，绝对不能有任何脱落。（7）为防止水泥浆液冷冻而在孔洞中产生裂缝，灌浆过程中的周边环境温度差应保持在±5℃。在周围气温超过35℃时，最好晚上注浆，且保证注浆前的气温不超过35℃。（8）每个孔道的灌浆工作都要持续进行，不能有任何中断，同时要保证空气流通顺畅。（9）为防止压浆出现问题，需提前准备好发电机，并持续搅拌浆液，若管路阻塞，需立即使用高压水清洁孔道，再开始压浆，以确保压浆均匀、紧实。（10）在浆液填满孔道并封闭排气口后，需要继续施加压力，直至达到0.5～0.7MPa的稳定压力，保持1～2min 才可以关闭。

总之，LNG 储罐工程质量极其关键，高质量的预应力外罐工程能够保证储罐的安全性，因此，预拉应力施工质量不容忽视。在工程实施前，需要研究并掌握预应力施工的主要控制因素，采用前期筹划、施工控制和后期总结的方法，严格管理施工流程、材料质量及相关技术手段，以保证预应力施工顺畅推进，对后续工程实施起到重要的引领作用。