部分無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李毅，劉曉東，劉凌鋒

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

1 概述

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是指在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受外力荷載作用前預(yù)先對混凝土受拉區(qū)施加壓應(yīng)力，由此產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)用以抵消或減小外荷載所引起的受拉區(qū)拉應(yīng)力，使構(gòu)件不受或受到較小拉應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土的黏結(jié)狀態(tài)可分為：

1）有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土。有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土是指預(yù)應(yīng)力筋沿其全長均與混凝土接觸面存在黏結(jié)作用，兩者黏結(jié)在一起且不允許相對滑移，通過預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土的黏結(jié)力將預(yù)應(yīng)力傳遞給混凝土，在這種結(jié)構(gòu)中，相鄰的預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土具有相同的應(yīng)變和變形。一般情況，先張法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土屬于有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，后張法的預(yù)應(yīng)力混凝土也屬于有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土。對后張法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，通常做法是在構(gòu)件中預(yù)留孔道，待預(yù)應(yīng)力筋張拉至控制應(yīng)力后，用壓力灌漿將預(yù)留孔道孔隙填實(shí)。

2）無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土。無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土是指預(yù)應(yīng)力筋沿其全長與混凝土接觸面之間不存在黏結(jié)作用，兩者無黏結(jié)且可以相對滑移，預(yù)應(yīng)力通過兩端錨具傳遞給混凝土，在這種結(jié)構(gòu)中，相鄰的預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土應(yīng)變和變形不協(xié)調(diào)。一般情況，無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土都是后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

本文以港珠澳大橋半剛性管節(jié)結(jié)構(gòu)體系[1]為背景，創(chuàng)新性地提出了部分無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[2]。所謂部分無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，是指預(yù)應(yīng)力筋沿其全長與混凝土接觸面之間同時(shí)存在有黏結(jié)段和無黏結(jié)段（如圖1所示），在有黏結(jié)段兩者接觸面不允許相對滑移，在無黏結(jié)段兩者接觸面允許相對滑移。在這種結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力在有黏結(jié)段通過預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土的黏結(jié)力傳遞給混凝土，相鄰的預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土具有相同的應(yīng)變和變形；預(yù)應(yīng)力在無黏結(jié)段，相鄰的預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土應(yīng)變和變形不協(xié)調(diào)。部分無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的施工做法是在構(gòu)件中預(yù)留孔道，其中無黏結(jié)段采用特殊的無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力管道，待預(yù)應(yīng)力筋張拉至控制應(yīng)力以后，用壓力灌漿將預(yù)留孔道孔隙填實(shí)[3]。

圖1 部分無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)Fig.1 Partially unbonded prestressed concrete structure

2 部分無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題

2.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)造

為了保證節(jié)段接頭在偶然工況等極端不利情況下能以毫米級張開來釋放彎矩內(nèi)力[4]，在節(jié)段接頭6 m范圍內(nèi)采用帶光滑管壁的節(jié)段接頭連接件來實(shí)現(xiàn)無黏結(jié)效果。節(jié)段接頭連接件分為先澆端和匹配端，匹配端內(nèi)管安裝空間為35 cm，先澆端內(nèi)管安裝空間為30 cm，具體構(gòu)造見圖2[5]。有黏結(jié)段采用常規(guī)波紋管，連接件與波紋管連接方式可參照波紋管對接方式。

圖2 節(jié)段接頭連接件構(gòu)造示意圖（左為匹配端，右為先澆端）Fig.2 Schematic diagram of the joint connector of the segment(the left is the matching end,the right is the first pouring end)

節(jié)段接頭連接件包括外接頭管1、外接頭管2、內(nèi)接管3部分。

外接頭管1：長度為3．3 m，包括：φ156 mm長度3 m光滑外壁套管+φ121 mm長度0．3 m變徑過渡套管。接頭管1內(nèi)部350 mm深度位置設(shè)計(jì)有擋圈與內(nèi)接管配合，產(chǎn)生密封效果。接頭管1預(yù)埋在節(jié)段N-1的混凝土內(nèi)，與節(jié)段N匹配，澆筑前安裝連接件內(nèi)接管，并確認(rèn)接頭管1和接頭管2在接縫位置完全接觸之后，方可進(jìn)行混凝土澆筑。

外接頭管2：長度為3．3 m，包括：φ156 mm長度3 m光滑外壁套管+φ121 mm長度0．3 m變徑過渡套管。接頭管2內(nèi)部300 mm深度位置設(shè)計(jì)有擋圈與內(nèi)接管配合，產(chǎn)生密封效果。接頭管2首先預(yù)埋在節(jié)段N的混凝土內(nèi)。

內(nèi)接管：安裝在接頭管1和接頭管2內(nèi)部，兩端各設(shè)計(jì)有3處O形密封圈，內(nèi)接管外部纏繞有遇水膨脹密封帶。

2.2 無黏結(jié)長度計(jì)算

在每個(gè)節(jié)段接頭處，在長度6 m范圍設(shè)置預(yù)應(yīng)力無黏結(jié)段，而在其他剩余長度范圍內(nèi)是有黏結(jié)段。由于在節(jié)段接頭處長度6 m范圍內(nèi)是無黏結(jié)段，節(jié)段接頭任何張開都將引起無黏結(jié)段范圍內(nèi)后張預(yù)應(yīng)力筋的均勻拉伸。無黏結(jié)段后張預(yù)應(yīng)力筋拉伸勢必帶來其應(yīng)力相應(yīng)增加，但是仍然小于全黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力。由于節(jié)段接頭張開會(huì)引起相應(yīng)的后張預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增加，因此預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)將張拉應(yīng)力控制在0．6 fpk的較低水平。當(dāng)偶然工況等極端不利情況下即便預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增加，其總應(yīng)力仍然不超過0．75 fpk。

假設(shè)無黏結(jié)長度范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力均勻增加，因此可以確定該節(jié)段接頭的實(shí)際張開量及相應(yīng)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的增加量。假設(shè)沉管隧道在撓曲彎矩作用下，節(jié)段接頭頂板或底板單側(cè)張開量控制在5 mm以內(nèi)，此時(shí)無黏結(jié)段預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增加不超過0．1 fpk。假設(shè)忽略向黏結(jié)長度過渡時(shí)預(yù)應(yīng)力筋的相對位移，且不考慮有黏結(jié)段預(yù)應(yīng)力筋相對位移，因此可以計(jì)算得到無黏結(jié)段長度最短需5．24 m[6]。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)采用6 m長無黏結(jié)段。

2.3 耐久性

由于預(yù)應(yīng)力體系無法更換，因此必須與主體沉管結(jié)構(gòu)一樣滿足120 a的使用壽命。其主要耐久性措施涵蓋以下幾個(gè)方面：預(yù)應(yīng)力度較低，在120 a使用期無疲勞損壞；預(yù)應(yīng)力筋與海水完全隔絕；特制的防水錨頭能滿足120 a不銹蝕；在節(jié)段接頭張開的情況下，預(yù)應(yīng)力孔道在接頭處仍能不被破壞并保持密封。

考慮到港珠澳沉管隧道暴露于高腐蝕環(huán)境中（外部海水以及隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車尾氣排放）。預(yù)應(yīng)力筋潛在薄弱環(huán)節(jié)位于節(jié)段接頭處并且可能在頂、底板上撓曲開裂的位置。根據(jù)暴露環(huán)境，對預(yù)應(yīng)力筋采用填料，該填料能提供耐久防腐蝕保護(hù)，并安裝在水密外套里，該外套防水蒸汽并且化學(xué)穩(wěn)定而不腐蝕。該封裝或者防水密封要求需要延伸跨過節(jié)段接頭并包括預(yù)應(yīng)力錨固。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為防止深海環(huán)境下預(yù)應(yīng)力筋可能遭受的腐蝕，施工時(shí)需保證節(jié)段接頭位置的預(yù)應(yīng)力管道接頭的連續(xù)性和密封性，確保在節(jié)段接頭張開的情況下，預(yù)應(yīng)力孔道在接頭處仍能不破斷并保持密封。預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)為整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的生命線，而且由于其無法更換，必須與沉管主體結(jié)構(gòu)一樣能達(dá)到120 a設(shè)計(jì)使用壽命，具有極高的耐久性要求。為驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力體系的耐久性，重點(diǎn)針對節(jié)段接頭這個(gè)沉管永久預(yù)應(yīng)力體系的薄弱環(huán)節(jié)，模擬預(yù)應(yīng)力管道在施工和埋置深海階段的工況，對節(jié)段接頭連接件的水密性和無黏結(jié)性進(jìn)行研究[7-8]。

3.1 水密性試驗(yàn)

水密性試驗(yàn)需要按照沉管節(jié)段接頭施工的方式，將節(jié)段接頭連接件的外接頭管1和外接頭管2分別全部預(yù)埋在2件混凝土墩塊中，通過內(nèi)接管將2個(gè)接頭管連接組合起來，見圖3。使用密封蓋帽將外接頭管1和外接頭管2兩端進(jìn)行密封，在澆筑的混凝土墩塊中形成管道內(nèi)部的密封環(huán)境。然后給試驗(yàn)連接件構(gòu)件內(nèi)部施加水壓至0．6 MPa，通過檢測2件混凝土墩塊接縫是否漏水，驗(yàn)證接縫連接件的水密性。此外，試驗(yàn)將模擬節(jié)段接頭逐漸張開時(shí)的節(jié)段接頭連接件密封性，張開量從4 mm開始逐漸加大，直至到達(dá)16 mm水密性失效的極限張開量。

圖3 節(jié)段接頭連接件水密性試驗(yàn)布置俯視圖Fig.3 Watertight test plan of segment joint connector

水密性試驗(yàn)共采取2組、4件節(jié)段接頭連接件作為試驗(yàn)樣品。為進(jìn)一步驗(yàn)證連接件內(nèi)接管的水密性，在連接件內(nèi)內(nèi)接管的兩端安裝2件O形密封圈產(chǎn)品。為對比試驗(yàn)遇水膨脹密封帶的作用，試驗(yàn)中的2組試樣將采用不纏繞遇水膨脹密封帶與纏繞遇水膨脹密封帶。試驗(yàn)中使用的O形密封圈，均為經(jīng)過老化試驗(yàn)后的試件，老化試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)參照橡膠止水帶的老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO188進(jìn)行。

圖4 節(jié)段接頭連接件水密性樣品Fig.4 Watertight test sample of segment joint connector

2組試驗(yàn)采用不同的試驗(yàn)樣品如圖4所示。試驗(yàn)組件1，使用不纏繞遇水膨脹密封帶的內(nèi)接管，內(nèi)接管僅使用經(jīng)過老化試驗(yàn)后的O形密封圈。試驗(yàn)組件2，使用纏繞遇水膨脹密封帶的內(nèi)接管，內(nèi)接管使用經(jīng)過老化試驗(yàn)后的O形密封圈，與試驗(yàn)組件1進(jìn)行對比。2組試驗(yàn)中，均需要將2塊混凝土墩塊從完全貼緊狀態(tài)，至被逐漸拉開一定距離，檢驗(yàn)連接件內(nèi)部的水密性效果。

圖5所示的水密性試驗(yàn)檢驗(yàn)了4組試驗(yàn)塊在0．6 MPa水壓作用下是否有漏水?；炷炼諌K1和墩塊2的接縫部位完全貼緊條件下，向接頭連接件通入紅色的試驗(yàn)用水，將水壓保持為0．6 MPa，分別采用吸水試紙擦拭以及目測的方法檢查持壓1 min、10 min、30 min、60 min節(jié)段接頭連接件部位，均沒有發(fā)現(xiàn)液體析出或滲漏。

圖5 水密性試驗(yàn)張開量情況Fig.5 The opening state of watertight test

然后通過墊板調(diào)節(jié)2個(gè)混凝土墩塊之間的間隔4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm，每次調(diào)整完之后也分別采用吸水試紙擦拭以及目測的方法檢查持壓1 min、10 min接頭連接件部位，也沒有發(fā)現(xiàn)液體析出或滲漏。說明接頭連接件水密性良好，在持荷加壓，甚至階段節(jié)段接頭張開量達(dá)到16 mm的超極限工況也不會(huì)出現(xiàn)滲漏。

3.2 無黏結(jié)試驗(yàn)

將節(jié)段接頭連接件外接頭管1和外接頭管2，分別預(yù)埋在2組混凝土墩臺內(nèi)，并通過張拉千斤頂和錨具，對安裝在節(jié)段接頭連接件管內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋（已壓漿）進(jìn)行拉拔，如圖6所示。預(yù)應(yīng)力筋上的拉拔力通過管內(nèi)的固定端鋼板作用在漿體上，并傳遞給外接頭管1和外接頭管2。由于外接頭管為聚丙烯（PP）材料，其光滑外壁與混凝土無黏結(jié)作用，當(dāng)外接頭管1和外接頭管2受到一定拉拔力后，會(huì)在混凝土接觸面上產(chǎn)生滑移，接頭管從混凝土中拔出。

為了試驗(yàn)不同潤滑條件下的拉拔力，分別在2組試驗(yàn)中采用：

1）試驗(yàn)組件1——外接頭管1外表面為光滑聚丙烯塑料表面，并涂抹低黏度潤滑油；

2）試驗(yàn)組件2——外接頭管2外表面為光滑聚丙烯塑料表面，并涂抹低黏度潤滑油。

圖6 節(jié)段接頭連接件無黏性試驗(yàn)Fig.6 Unbonded test of segment joint connector

由此，驗(yàn)證設(shè)計(jì)要求提出的節(jié)段接頭連接件預(yù)埋進(jìn)入混凝土后的無黏結(jié)性，并對比2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

試驗(yàn)了2組試件的無黏結(jié)性，結(jié)果表明在2～3 MPa拉應(yīng)力作用下，2試件中的連接件與試件本體會(huì)產(chǎn)生豎向位移，當(dāng)拉應(yīng)力增大至5 MPa時(shí)可將連接件從試件本體中拔出，而在此過程中連接件自身沒有產(chǎn)生變形，說明連接件與混凝土之間無黏結(jié)性，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 節(jié)段接頭連接件無黏結(jié)性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Unbonded test result of segment joint connector

4 港珠澳沉管隧道應(yīng)用示范

特殊的地理環(huán)境和航運(yùn)要求，使港珠澳大橋海底隧道成為目前世界上唯一的深埋、大回淤節(jié)段式沉管隧道。受基底不均勻沉降、回淤、水壓等因素影響，管節(jié)受力不同于常規(guī)淺埋隧道。

針對港珠澳大橋深埋沉管隧道半剛性沉管結(jié)構(gòu)體系所面臨的特殊問題，項(xiàng)目總經(jīng)理部創(chuàng)新性提出半剛性沉管管節(jié)方案，通過該方案解決了深埋沉管隧道所面臨的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、止水、沉降、工期和環(huán)保等關(guān)鍵性技術(shù)問題。同時(shí)，自主開發(fā)的《沉管隧道結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)》[9]能有效模擬和分析該新型結(jié)構(gòu)形式，并具有分析節(jié)段接頭和基礎(chǔ)剛度的非線性特性等功能。

為了實(shí)現(xiàn)該深埋沉管隧道半剛性沉管結(jié)構(gòu)體系方案，提出部分無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土新結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)包括：

1）港珠澳沉管隧道單個(gè)管節(jié)是由8個(gè)22．5 m長的節(jié)段組成，由預(yù)應(yīng)力串聯(lián)成一個(gè)整體并進(jìn)行浮運(yùn)安裝。

2）單個(gè)節(jié)段均是獨(dú)立預(yù)制，2個(gè)節(jié)段之間設(shè)置節(jié)段接頭。節(jié)段接頭設(shè)置多道止水帶來防水。

3）預(yù)應(yīng)力統(tǒng)籌考慮滿足浮運(yùn)安裝階段及運(yùn)營期要求配置，保證浮運(yùn)安裝階段最不利工況下接頭最小壓應(yīng)力大于0．3 MPa。

4）運(yùn)營期在最不利工況下節(jié)段接頭處斷面始終保證2～3 MPa壓應(yīng)力，并利用其產(chǎn)生的摩擦力，提高節(jié)段接頭豎向抗剪能力。

5）預(yù)應(yīng)力為永久預(yù)應(yīng)力，僅在節(jié)段接頭處采用特殊無黏結(jié)構(gòu)造，即可適應(yīng)接頭張開的柔性要求，同時(shí)約束減小節(jié)段接頭張開量，提高止水帶保障能力。

6）預(yù)應(yīng)力度的設(shè)置原則是保證在正常使用階段節(jié)段接頭全截面受壓且永遠(yuǎn)不張開，在地震等極端偶然工況節(jié)段接頭僅受拉側(cè)通過毫米級微量張開來釋放內(nèi)力，整個(gè)管節(jié)結(jié)構(gòu)和節(jié)段接頭斷面平均仍然受壓且不影響防水。

7）管節(jié)呈現(xiàn)剛性為主還是柔性為主，取決于所配的預(yù)應(yīng)力度，沿隧道縱向可以根據(jù)不同的地基、荷載、橫截面配筋等情況分段設(shè)置合理的預(yù)應(yīng)力度。

5 結(jié)語

本文在有黏結(jié)和無黏結(jié)兩種預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了一種全新的部分無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式具有以下特點(diǎn)：

1）在正常使用階段節(jié)段接頭全截面受壓不張開；偶然工況等極端不利情況下節(jié)段接頭在彎矩作用下單側(cè)張開來釋放內(nèi)力，并保證節(jié)段接頭不損壞不漏水。該結(jié)構(gòu)在滿足主體結(jié)構(gòu)安全的前提下，能有效減少預(yù)應(yīng)力筋用量，降低造價(jià)。

2）部分無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是采用有黏結(jié)段和無黏結(jié)段相互交替布置，僅在跨縫接頭處采用6 m長的無黏結(jié)段。通過在節(jié)段接頭處采用特殊的節(jié)段接頭連接件實(shí)現(xiàn)跨縫處的無黏結(jié)構(gòu)造。

3）該結(jié)構(gòu)形式在正常使用階段的預(yù)應(yīng)力度較低且控制在0．6fpk；預(yù)應(yīng)力鋼絞線在最不利工況，其應(yīng)力不超過 0．75fpk。

4）預(yù)應(yīng)力通常采用后張法灌漿工藝，確保整個(gè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)滿足耐久性要求。

5）通過水密性試驗(yàn)驗(yàn)證表明用于永久預(yù)應(yīng)力體系的節(jié)段接頭連接件水密性良好，在持續(xù)加載0．6 MPa水壓力、節(jié)段接頭連接件張開16 mm的超極限工況條件下也不會(huì)出現(xiàn)滲漏。

6）通過無黏結(jié)性試驗(yàn)驗(yàn)證表明用于永久預(yù)應(yīng)力體系的節(jié)段接頭連接件與混凝土之間無黏結(jié)性，在2～3 MPa拉應(yīng)力作用下，連接件與混凝土之間會(huì)產(chǎn)生相對位移，當(dāng)拉應(yīng)力增大至5 MPa時(shí)可將連接件從混凝土中拔出，而連接件自身沒有變形。

以上成果已成功應(yīng)用于港珠澳大橋沉管隧道施工圖設(shè)計(jì)，并有效支撐了港珠澳沉管隧道半剛性管節(jié)結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新。