緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在高鐵站房中的應(yīng)用研究

白國巖

(中鐵十六局集團電氣化工程有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，鐵路運輸在國民經(jīng)濟中的作用和地位日益提高，越來越受到國家和社會的重視。無論鐵路橋梁還是高鐵站房，預(yù)應(yīng)力技術(shù)都是工程結(jié)構(gòu)中的重要技術(shù)手段。

有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力是最常見的預(yù)應(yīng)力技術(shù)。但它們都存在明顯的缺點，如有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)、施工工藝復(fù)雜、預(yù)應(yīng)力接縫使用條件有限、灌漿壓實困難等，影響了結(jié)構(gòu)的耐久性，降低了結(jié)構(gòu)的承載力。而無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)雖施工工藝簡單，但不符合抗震要求，無法在梁中使用，且結(jié)構(gòu)耐久性差。在此基礎(chǔ)上，上世紀(jì)80年代由日本首先開始研發(fā)并應(yīng)用ECF鋼絞線即緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線[1]。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)無需預(yù)留孔道、無需灌漿、施工簡便、施工質(zhì)量更易保證、提高了結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性，且摩擦系數(shù)小、預(yù)應(yīng)力損失小，節(jié)省材料。孫長江[2]提出過緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋施工工藝。吳轉(zhuǎn)琴等[3]通過多組拉拔試驗，證明了緩粘結(jié)材料與鋼絞線有較強的粘接力。王占飛等[4]通過一系列拉拔試驗，發(fā)現(xiàn)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的摩擦阻力、粘結(jié)性能與緩粘結(jié)材料的固化程度成正比。

自2009年以來，我國先后制定并實施了《緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線》(JG/T 369—2012)、《緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線專用膠粘劑》(JG/T 370—2012)等多項標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。目前緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)已經(jīng)在多項工程中進行了應(yīng)用，包括贛州西站、襄陽東津站、北京大興國際機場等一批工業(yè)與民用建筑。但總體而言，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用暫未普及[5]。

本文結(jié)合晉城東站、高平東站工程實例，針對緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在此類結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，提出一整套施工工藝，并且針對預(yù)應(yīng)力摩擦損失與緩凝粘合劑特性之間的聯(lián)系展開試驗研究。

2 工程概況

新建太焦城際鐵路站房TJZF-3標(biāo)共包含晉城東站、高平東站兩個站房。

(1)晉城東站

晉城東站主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積為19 999 m2，建筑總高度為23.95 m。屋蓋中部鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋面為直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面板；站臺雨棚建筑面積為15 654.5 m2，建筑高度5.5 m。

(2)高平東站

高平東站主體2層，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋中部鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋面為直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面板。站房總建筑面積為9 999.5 m2，站房建筑高度19.75 m。

3 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工工藝

高速鐵路站房施工具有工程量大、工期緊、結(jié)構(gòu)分段、分期工程多及質(zhì)量要求高等特點。從施工角度出發(fā)，以解決施工現(xiàn)場實際問題為導(dǎo)向，分析緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力在施工過程中所遇到的難點，并有針對性地提出解決方案[6]。

3.1 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁、板、柱施工工藝流程

施工工藝流程見圖1。

圖1 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工流程

3.2 預(yù)應(yīng)力筋下料

3.2.1 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋下料

應(yīng)綜合考慮設(shè)計曲線長度、張拉端伸長預(yù)留長度、彈性收縮值、張拉設(shè)備及施工方法等因素進行預(yù)應(yīng)力筋的下料長度[7]。對緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋其下料長度L應(yīng)按下式計算(L1僅應(yīng)用在梁內(nèi))。

單端張拉時:L＝L0＋L1＋L2

雙端張拉時:L＝L0＋L1＋2L2

式中，L0為緩粘結(jié)鋼絞線的投影長度；L1為曲線增加長度；L2為緩粘結(jié)鋼絞線的操作長度。

預(yù)應(yīng)力鋼筋下料應(yīng)在平整場地進行，下料長度應(yīng)按直線確定。注意預(yù)應(yīng)力筋的外露長度應(yīng)該符合規(guī)范要求:對于單端張拉預(yù)留張拉端長度為1.0 m，對于雙端張拉預(yù)留張拉端長度為1.8 m；將預(yù)應(yīng)力筋拉直后再切斷；使用砂輪切割機規(guī)范切割，并做好安全防護，不得使用電弧切割。

3.2.2 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋組裝

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋固定端常采用擠壓型錨具，其組裝形式同無粘結(jié)類似，其組裝步驟如下:

(1)根據(jù)鋼絞線的規(guī)格，選擇相應(yīng)型號的擠壓錨具。

(2)根據(jù)不同型號錨具去除一定長度外包護套并將剝開部分鋼絞線上剩余膠粘劑去除。

(3)先安裝鐵板，然后安裝擠壓錨，同時應(yīng)當(dāng)使擠壓簧、擠壓套、鋼絞線重合在同一水平切面內(nèi)以保證擠壓質(zhì)量。

(4)在擠壓模具及錨具上涂抹專用擠壓油完畢后，開機進行擠壓。

3.3 預(yù)應(yīng)力筋穿束

預(yù)應(yīng)力筋穿束主要采用逐根穿束和集束穿束兩種方法。逐根穿束是將緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋逐根穿入結(jié)構(gòu)中；集束穿束是將同一束緩粘結(jié)鋼絞線下料后綁扎成束，然后一次穿入結(jié)構(gòu)中。實際施工中應(yīng)根據(jù)項目的具體情況選擇穿束方法。

3.4 端部預(yù)埋安裝

端部預(yù)埋主要包括固定端和張拉端。

3.4.1 固定端端部預(yù)埋安裝

預(yù)埋固定端時，確保固定端承壓板和螺旋鋼筋固定在構(gòu)件表面足夠深處，并按設(shè)計高度固定好錨固端和承壓板。焊接時注意保護外露的預(yù)應(yīng)力鋼筋。

3.4.2 張拉端端部預(yù)埋安裝

根據(jù)設(shè)計的預(yù)埋位置來安裝張拉端端部，確保預(yù)應(yīng)力筋和承壓板之間呈90°。

(1)外凸式的張拉端

安裝時將螺旋筋和承壓板靠近端部固定。

(2)內(nèi)凹式的張拉端

將承壓板固定在構(gòu)件表面足夠深的位置，以使錨具不會露出部件表面。同時調(diào)整承壓板四周鋼筋，確保千斤頂張拉時有足夠的張拉空間，然后在承壓板外側(cè)安裝穴模，進行承壓板焊接。

3.5 混凝土澆筑

混凝土澆筑前，先進行隱蔽工程驗收。為防止預(yù)應(yīng)力筋偏離原位置或損傷PE外護套，混凝土振搗時振搗器不得長時間接觸緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋?；炷吝_到一定強度后，拆除預(yù)應(yīng)力張拉端側(cè)模，清理張拉預(yù)留孔。如果發(fā)現(xiàn)固定端或張拉端混凝土存在外觀質(zhì)量缺陷，應(yīng)在張拉前進行處理，待混凝土達到規(guī)定強度后方可張拉；底模支架的拆除應(yīng)符合設(shè)計要求。當(dāng)設(shè)計無具體要求時，張拉前不得拆除底模。

3.6 預(yù)應(yīng)力筋張拉

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉施工中，采用以主要控制張拉力，以張拉后的伸長值作為校核依據(jù)的“雙控法”進行質(zhì)量控制。其偏差應(yīng)在±6%的理論伸長值范圍內(nèi)。

張拉值應(yīng)考慮錨具引起的回縮變形σl1以及預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失σl2等因素[8]，張拉控制應(yīng)力為0.7 fptk，即1 395 MPa。

預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉方法應(yīng)根據(jù)設(shè)計和施工計算要求確定，采用一端張拉或兩端張拉。兩端張拉時，可同時張拉兩端，或先張拉一端，再張拉另一端。對于特殊預(yù)應(yīng)力構(gòu)件或鋼筋束，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況采用分級張拉、變角張拉、冬季預(yù)熱張拉等特殊的張拉工藝。

3.7 預(yù)應(yīng)力端部封錨

預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉后，可使用手提式砂輪鋸切割錨具處外露的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。剩余外露鋼絞線的長度≥30 mm。預(yù)應(yīng)力錨具涂防腐油脂后，應(yīng)密封錨具蓋進行保護。錨具封堵前，清除預(yù)應(yīng)力筋上的砼殘漿、油污等雜物，用水沖洗濕潤，沖洗干凈后應(yīng)清除混凝土表面上留下的積水。采用與結(jié)構(gòu)強度等級相同的細(xì)骨料混凝土(封堵材料中不得使用摻有氯化物的外加劑)填充和堵塞張拉端穴槽，且填充密實?；炷脸跄龝r，等表面收干后終凝前，用抹子搓壓表面2～3遍，防止混凝土表面出現(xiàn)裂縫[9]。

4 緩凝粘合劑的稠度對預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失的影響研究

4.1 試驗方案

試驗通過三種試件類型制作，分別對局部偏差系數(shù)κ、曲率摩擦系數(shù)μ和膠黏劑稠度等參數(shù)進行測定。試驗中采用直徑為15.2 mm的緩粘結(jié)與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，選用強度C40的混凝土以及固化期為4個月，標(biāo)準(zhǔn)張拉適用期為80 d的膠粘劑。

本試驗采用后張法，后張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)在張拉作業(yè)時會產(chǎn)生兩種摩擦損失，一是預(yù)應(yīng)力筋在布置時局部發(fā)生偏差而導(dǎo)致的沿長度的預(yù)應(yīng)力摩擦損失，如果預(yù)應(yīng)力筋在布置時是標(biāo)準(zhǔn)意義上的直線，那么與孔道壁將不會產(chǎn)生擠壓力，此項預(yù)應(yīng)力損失為零[10]；二是曲線筋在張拉時對孔道壁產(chǎn)生壓力之后引起的摩擦損失，依據(jù)預(yù)應(yīng)力體系摩擦損失理論，計算出摩擦系數(shù)。

(1)測定局部偏差系數(shù)κ試件

制備長8 000 mm，截面尺寸400 mm×400 mm的混凝土梁，保護層厚度取為30 mm，每一構(gòu)件中鋪設(shè)6根緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線和3根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線[11]，極限強度標(biāo)準(zhǔn)值均為1 860 MPa，采取構(gòu)造配筋，鋼筋強度為HRB400級，如圖2所示。

圖2 直線布筋構(gòu)件示意

在緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線表面粘貼測溫線，檢測試件所處溫度。構(gòu)件在固定端需要安裝承壓墊板、壓力傳感器、墊板、錨具，在張拉端需要安裝承壓墊板、壓力傳感器、墊板和千斤頂。

(2)測定曲率摩擦系數(shù)μ試件

制作長4 000 mm，寬1 600 mm、厚400 mm的混凝土板，包含三組分別為Π/6、Π/3和Π/2不同包角的預(yù)應(yīng)力筋，每組包含3根緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與1根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線；同時為研究局部偏差摩擦系數(shù)與預(yù)應(yīng)力筋長度的關(guān)系，在板中添置3根直線緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。預(yù)應(yīng)力鋼絞線平面布置見圖3。

圖3 曲線布筋構(gòu)件示意

(3)膠黏劑特性試件組

在緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線膠粘劑生產(chǎn)時預(yù)留10 kg膠黏劑，制成30個黏度測試試件、60個稠度測試構(gòu)件與40個硬度測試試件。其中15個黏度測試試件、30個稠度測試試件與20個硬度測試試件放入試驗所測溫度箱養(yǎng)護，剩余一半試件放入25℃恒溫箱中養(yǎng)護。

4.2 試驗流程

試驗時首先張拉梁中的直線預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉時通過油泵上液壓表讀數(shù)粗略控制加載力，通過與傳感器所配套的顯示儀讀數(shù)精準(zhǔn)控制，測得摩擦力，計算局部偏差系數(shù)；然后張拉板中的曲線與直線預(yù)應(yīng)力鋼絞線，測得摩擦力，計算曲率摩擦系數(shù)；將預(yù)留與鋼絞線同批生產(chǎn)的膠粘劑制備黏度、稠度與硬度試件，一半放入25℃恒溫箱，另一半放入溫度箱并根據(jù)測溫線測出的溫度進行調(diào)節(jié)，做到與構(gòu)件內(nèi)部膠黏劑同條件養(yǎng)護，定期取出試件，測試其黏度、稠度和硬度。繪制黏度、稠度和硬度隨時間的變化曲線。

4.3 試驗結(jié)果及分析

4.3.1 膠黏劑的稠度和硬度分析

試驗中混凝土澆筑齡期為8 d。混凝土在發(fā)生水化時會放出大量的熱，由于混凝土的熱傳遞性較差，導(dǎo)致構(gòu)件結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量散發(fā)很慢，溫度升高[12]，從而對構(gòu)件內(nèi)膠黏劑性能產(chǎn)生較大影響。在鋼絞線表面布置測溫線來監(jiān)測緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線溫度變化，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線溫度變化

混凝土在澆筑后的18 h內(nèi)，溫度迅速上升，最大溫度47℃。由于包角為90°的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在混凝土板最中心位置，所以測試溫度最高。構(gòu)件中鋼絞線通過測溫線所測溫度開始與試驗溫度箱保持一致。定期測試試驗溫度箱中膠粘劑的黏度、稠度和硬度。

膠黏劑在制備完成后第5天測量初始黏度與稠度，此時混凝土尚未入模，膠黏劑的溫度與環(huán)境溫度相同。測得初始黏度為1.18×106mPa·s，稠度值為341.4。對試驗所測溫度與25℃恒溫條件下養(yǎng)護的膠粘劑分別定期測試黏度、稠度與硬度值，其結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 黏度變化曲線

圖6 稠度與硬度變化曲線

從圖5中可以得出，膠粘劑在25℃恒溫條件下養(yǎng)護時，其黏度隨時間呈現(xiàn)上升的趨勢，而且前期上升速率快，后期上升速率減慢。試驗所測溫度條件下養(yǎng)護的膠粘劑，在前期黏度值隨時間增加，但當(dāng)混凝土開始澆筑產(chǎn)生水化熱，溫度快速上升時，膠粘劑迅速變稀，黏度值立刻下降，遠低于25℃恒溫條件下的稠度值。隨著混凝土澆筑完成，水化反應(yīng)結(jié)束后，溫度逐漸回落但始終高于25℃，此后，膠粘劑黏度呈現(xiàn)上升趨勢，上升速率由慢到快，這是因為在較高的溫度期間，膠粘劑內(nèi)部的固化反應(yīng)速度加快。試驗所測溫度條件下養(yǎng)護的膠黏劑黏度在齡期為22 d達到最大值，而25℃恒溫條件下是第30天達到最大值，兩者差值為8 d。本次試驗測量黏度時因插搗力度與儀器等相關(guān)因素導(dǎo)致兩種條件下的黏度發(fā)展曲線未能保持一致。

圖6為試驗所測溫度和25℃恒溫條件下養(yǎng)護的膠粘劑稠度和硬度隨時間變化的曲線。觀察稠度曲線發(fā)現(xiàn)，膠黏劑在25℃恒溫條件下的稠度表現(xiàn)出穩(wěn)定下降的趨勢。而在試驗所測溫度條件下的稠度剛開始保持不變，在混凝土澆筑發(fā)生水化放熱之后，膠粘劑稠度快速增大，膠黏劑內(nèi)部固化反應(yīng)速率加快，隨后在膠黏劑齡期為11 d時稠度開始快速減小，在膠黏劑齡期為19 d時稠度開始小于25℃恒溫條件。在膠黏劑齡期為49 d的時候，取出試驗所測溫度條件下的一個膠黏劑樣品，放入高溫箱養(yǎng)護1 h后拿出發(fā)現(xiàn)與原狀態(tài)一樣，同時將25℃條件下膠黏劑取出并進行相同操作，從溫度箱拿出時膠黏劑變稀，但在短時間內(nèi)恢復(fù)，說明此時試驗所測溫度條件下的膠黏劑固化反應(yīng)程度更高。膠黏劑齡期為78 d，試驗所測溫度條件下的膠黏劑稠度為0，25℃條件下在齡期為89 d時為0，兩者相差11 d。

觀察圖6硬度曲線發(fā)現(xiàn)，試驗所測溫度條件下的膠黏劑硬度曲線始終在25℃恒溫條件下的硬度曲線之上，兩者均保持著上升趨勢，且硬度差值逐漸減小，在膠粘劑齡期120 d時二者硬度值接近。在膠粘劑齡期75 d時，硬度計在試驗所測溫度條件下膠黏劑硬度試件留下的針孔發(fā)生改變，由大變?yōu)樾?、?xì)且發(fā)白的孔眼，說明膠黏劑固化程度進一步加深。兩種條件下的膠黏劑在硬度達到80 D之前硬化速度較快，硬度超過80 D之后，硬化速度明顯緩慢。

兩條曲線綜合來看，出現(xiàn)硬度時，稠度為50左右，稠度為0時，硬度為48 D左右，表明當(dāng)溫度升高時使膠黏劑稠度下降速度增快，會提前出現(xiàn)硬度，但稠度與硬度變化規(guī)律相似，說明此規(guī)律與養(yǎng)護溫度無關(guān)，溫度只對膠黏劑的實際張拉適用期產(chǎn)生影響。

4.3.2 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的摩擦系數(shù)分析

為方便記錄，對預(yù)應(yīng)力鋼絞線進行標(biāo)記，如8 m左上，為梁中左上角的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線；8 m無，為梁中無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線；4 m直上，為板中最上方的直線緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋；90°上，為板中最上方包角為90°的曲線緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋；依此類推。

預(yù)應(yīng)力筋在膠黏劑齡期為32 d進行首次張拉試驗，環(huán)境溫度為30℃，此時兩種條件下的膠黏劑黏度均無法測試。預(yù)應(yīng)力鋼絞線局部偏差系數(shù)如圖7所示。

圖7 局部偏差系數(shù)與稠度關(guān)系曲線

分析圖7可知，當(dāng)膠粘劑稠度值大于45.9(即膠粘劑齡期為少于53 d)時，局部偏差系數(shù)和曲率摩擦系數(shù)幾乎不變，此時κ為0.002，μ為0.10～0.12。當(dāng)膠粘劑稠度為31.2、硬度為9.7(即膠黏劑齡期為60 d)，κ為0.008 2，μ為0.21，摩擦力增加，摩擦系數(shù)發(fā)生了突變?？梢酝茢?，本次試驗?zāi)z粘劑的張拉適用期為53 d。在圖7中，曲率摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)的離散性較大，這是因為曲線預(yù)應(yīng)力筋在張拉時需使用轉(zhuǎn)向塊，千斤頂加載作用下，轉(zhuǎn)向塊會發(fā)生滑移而偏離原來的方位，從而牽動千斤頂，使千斤頂?shù)膹埨较蚺c預(yù)應(yīng)力筋孔道不在同一平面內(nèi)，促使摩擦力增大，延遲了拉力傳至固定端的時間。曲線筋在最后一次測得的曲率摩擦不升反降，這是因為同一時段測得的κ值過大，從而使得本次測得的摩擦系數(shù)無法反映真實情況。進而采用滑動摩擦力進行計算。最終持荷之后的張拉端拉力減去固定端的拉力，再除以預(yù)應(yīng)力筋長度，得出單位長度滑動摩擦力，如圖8所示。對于曲線筋而言，預(yù)應(yīng)力筋單位長度滑動摩擦力能比曲率摩擦系數(shù)更直觀地反映實際張拉適用期。

圖8 單位長度滑動摩擦力與稠度曲線

5 結(jié)束語

針對新建太焦城際鐵路晉城東站工程預(yù)應(yīng)力施工中存在的問題、重點和難點，提出了解決方案，為制定采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的高速鐵路站房施工方法提供依據(jù)，并為其他類似工程提供參考。

緩凝粘合劑在張拉適用期內(nèi)黏度較小、稠度較大，張拉時產(chǎn)生較小的摩擦力。由于緩凝粘合劑受溫度影響較大，當(dāng)現(xiàn)場施工溫度超過標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃時，緩凝粘合劑的固化會被加速，摩擦損失增大，提前達到張拉適用期。因此，現(xiàn)場需要對施工溫度以及緩凝粘合劑的實際張拉適用期有較為準(zhǔn)確的把控，以保證在摩擦損失較小的張拉適用期內(nèi)完成張拉。