無粘結(jié)預應力技術在超長結(jié)構(gòu)中的應用

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1、概況 
    工程地處北京，建筑面積62000m2,地下2層，地上6層，框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)為7.2x7.2m,地下2層至地上3層，總長度均為165.6m，寬67.2m，4~6層分成長度為72m的兩棟塔樓。建筑平面、立面變化大，長度遠遠超過規(guī)范規(guī)定的長度。
    根據(jù)使用功能和使用條件的限制，不允許留設伸縮縫，給結(jié)構(gòu)設計帶來一定的難度。由于工期緊和施工場地的限制，混凝土必須采用商品泵送混凝土，由于其高流動性的要求，水泥用量增加，水會比增大，砂率增加，骨料粒徑減小。這些因素使得泵送混凝土的收縮量增大，由此產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象比較普遍。單靠一般構(gòu)造措施和施工工藝措施解決超長而不裂，把握不大，也無可靠依據(jù)。經(jīng)多方面研究分析，決定采用無粘結(jié)預應力技術解決本工程的超長不設縫的問題。 
    2、溫度應力的分析 
    這里只考慮整體溫度變化的作用，認為結(jié)構(gòu)在大氣中溫度均勻，結(jié)構(gòu)隨大氣溫度變化而變化，因大地溫度變化小，近似恒溫，因此可認為地下部分結(jié)構(gòu)溫度保持恒定，可不考慮溫度作用的影響。假定首層樓板為上部結(jié)構(gòu)的嵌固點，因后澆帶間距45m，不考慮后澆帶閉合前各單元的溫度應力。 
    2．1溫度梯度的確定 
    溫度降低引起結(jié)構(gòu)收縮，對于樓板產(chǎn)生拉應力，減小溫度梯度，是減小溫度應力最有效的途徑。北京市最低日平均溫度為-15.9c,最高日平均溫度為33.2c，極端溫差為49.1c。通過留設后澆帶，并選擇較低溫度時機閉合后澆帶,以創(chuàng)造一個初始低溫的良好條件。本工程要求在氣溫低于106c的季節(jié)閉合后澆帶，因此計算溫度梯度⊿T1=10-(-15.9)=25.9c.
    另外還要考慮混凝土收縮的當量溫差。混凝土收縮是一種隨時間而增長的變形，結(jié)硬初期發(fā)展較快，二周可完成全部收縮的1/4，一個月可完成1/2，三個月完成60~80%，以后增長緩慢，一般兩年后趨于穩(wěn)定。最終收縮應變ε約為（200~400）x10-6。由于本工程采取留設后澆帶和摻加膨脹型混凝土外加劑，混凝土最終收縮應變可取ε=200x10-6。在本工程的首層及2~3層主體結(jié)構(gòu)中，都預留了上下貫通的后澆帶，后澆帶最大間距45m。在后澆帶未澆注之前，超長板可視為一種能接近于自由變形的構(gòu)件，后澆帶三個月以后澆注，可認為收縮變形中已完成80%的自由變形，即ε1=0.8ε=160x10-6，殘余應變ε2=0.2ε=40x10-6才在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應力?；炷恋木€膨脹系數(shù)為α=1x10-5/c，收縮當量溫差⊿Tc=ε2/α=4c.
    因此，綜合計算溫度梯度⊿T=⊿T1+⊿Tc=29.9c.
    2.2溫度應力的計算 
    溫度應力的計算分別按平面框架和空間整體有限元計算。兩種方法計算結(jié)果顯示溫度應力作用的特點是一致的：底層大，往上逐層劇減；中間大兩端小，對稱軸處應力最大，向兩端逐漸減小，呈拋物線分布。有限元的結(jié)果顯示，二層中部最大應力為1.5MPa,端部最小應力為0.37MPa。三層中部最大應力為0.45MPa，端部最小應力為0.25MPa。 
    3、無拈結(jié)預應力筋的設計 
    結(jié)構(gòu)自收縮產(chǎn)生次拉應力，是引起超長結(jié)構(gòu)開裂的主要原因。如能在結(jié)構(gòu)中施加預壓應力，將能平衡或抵消部分收縮次拉應力，達到防裂抗裂的目的。采用無拈結(jié)預應力技術是一種有效的手段。無拈結(jié)預應力筋有布置靈活，張拉錨固方便，強度高等特點。同溫度應力產(chǎn)生的原理一樣，預壓應力的傳遞同樣受到柱子等豎向構(gòu)件的約束，由端部到中部逐漸減小。這種分布特點與溫度應力的分布產(chǎn)生矛盾，為了能在結(jié)構(gòu)中建立盡可能大的預壓應力，在預應力筋的布置和施工上做如下處理： 
    1）合理設置后澆帶劃分布筋區(qū)段和張拉區(qū)段。根據(jù)溫度應力的分布特點，中段配置較多的預應力筋，兩端則相對少一些，以減小對中段應力的削弱，在中段建立更大的預壓應力。本工程中段配置的預應力鋼筋為φj15@350,兩端預應力筋為φj15@500.
    2）分段張拉，先中段后兩端。在后澆帶封閉前張拉中段預應力，待達到設計強度后，再張拉兩端預應力。這樣可減少中段預應力的損失。按有限元分析，結(jié)構(gòu)中的預應力計算結(jié)果顯示二層中段最大預壓應力為1.0MPa，該部分計算最大溫度應力為1.5MPa，預壓應力抵消了大部分溫度應力，僅在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生0.5MPa的次拉應力，小于混凝土抗拉強度設計值。
    4、其他措施 
    除在樓板中布置預應力筋外，還在混凝土中摻加了膨脹型外加劑以減小施工期間混凝土的收縮。在樓板上部全面布置非預應力拉通鋼筋，以抵抗和控制裂縫的發(fā)展。本工程于2000年12月完成結(jié)構(gòu)施工，2002年8月正式使用，已經(jīng)受了高溫與寒冬季節(jié)的考驗，目前未發(fā)現(xiàn)裂縫，證明預應力的設計是成功的。 
    5、應注意的問題 
    采用預應力可以解決超長結(jié)構(gòu)樓板的收縮開裂問題，但樓板的伸縮對柱子的影響不容忽視，特別是底層靠近端部的柱子，變形大，附加彎矩大。在計算柱子承載力時，應考慮溫度和混凝土收縮以及施加預應力工況的影響。 
    6、結(jié)論 
    無粘結(jié)預應力技術用于超長結(jié)構(gòu)是防裂抗裂的有效措施，預應力筋應通過溫度應力的計算確定。合理的留設后澆帶是必要的，要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和平面體形的具體情況進行分析，超長結(jié)構(gòu)的伸縮對柱子的承載力影響不容忽視。