麥芽塔三向預應力圓板結構設計與施工

周列武 王江勇

(中國輕工業(yè)武漢設計工程有限責任公司，湖北 武漢 430060)

1 工程概況

某制麥車間由兩個內徑29.90 m的圓筒形制麥塔與工作輔樓組成，如圖1所示。麥芽塔總高度為65 m，分為兩層干燥爐，四層發(fā)芽箱，一層錐底浸麥層及屋面暫存?zhèn)}。干燥爐與發(fā)芽箱層高均為9.800 m，錐底浸麥層層高7.000 m。制麥塔發(fā)芽箱與干燥爐均采用內徑為29.900 m預應力無梁樓蓋，錐浸層及屋面暫存?zhèn)}層采用預應力正交梁板結構。

制麥車間主體結構采用框架剪力墻結構，混凝土強度等級均取為C50。除工藝生產所必須的進風、排風、排潮口外，圓板周邊均設置平均厚度約為600 mm的圓筒狀剪力墻，主要結構平面如圖2 所示。由于麥芽塔生產工藝的特點，干燥爐工作環(huán)境溫度最高約為90 ℃；發(fā)芽箱工作溫度約為16 ℃，相對濕度約為100%。本工程采用預應力技術來增加樓面結構的剛度，以滿足結構安全性、耐久性的要求，同時達到減小層高，提高經濟性的目的。

2 三向預應力圓板結構設計

制麥車間存在層高高、塔壁薄、板厚小、樓面荷載大、工作環(huán)境惡劣的特點。塔壁、圓板等構件的受力復雜，計算模型的選取直接決定了計算結果的合理性及準確性[1]。在本工程設計過程中，不僅要分析結構在外荷載作用下的內力、變形分布規(guī)律，同時要考慮溫度等外在條件對材料性能、結構內力的影響。

2.1 預應力圓板模型的選取

根據(jù)工藝廠家的提資要求，制麥車間干燥爐樓面荷載約為12 kN/m2，發(fā)芽箱板面荷載約為23 kN/m2。在正常工作下，一層發(fā)芽箱的物料經物料輸送系統(tǒng)傳送至兩層干燥爐內進行干燥，每層干燥爐樓面荷載為發(fā)芽箱荷載的1/2。當設備出現(xiàn)故障時，不排除將單層發(fā)芽箱的物料全部輸送至某一層干燥爐。因干燥爐可能出現(xiàn)樓面荷載等于發(fā)芽箱的情況，在圓板及塔壁設計過程中，將發(fā)芽箱與干燥爐的樓面荷載均取為23 kN/m2，其中設備荷載約為15 kN/m2，物料荷載約為8 kN/m2。

圓板荷載較大，在設計過程中將板厚按直徑的1/40取值。工作溫度、濕度對圓板的受力性能有著較大影響，為確保預應力圓板的安全性及耐久性，本工程圓板裂縫控制等級按二級[2,3]。經過對比試算，圓板厚度定為800 mm。圓板采用中心對稱的三向布置鋼絞線形式，鋼絞線直徑為15.2 mm，極限抗拉強度為1 860 MPa低松弛預應力鋼絞線，見圖3。此布線方式能更接近圓形樓板平面外彎矩的分布特點，并能最大程度的增大圓板剛度。

對塔壁、圓板進行內力分析，其彎矩分布如圖4所示。在重力荷載作用下，圓筒形塔壁平面外的彎矩在塔壁與樓板相交處達到峰值，然后因圓柱殼內力傳遞規(guī)律而迅速衰減，因塔壁與圓板交接處應力、變形集中，受力復雜，在設計過程中根據(jù)塔壁彎矩分布采取加腋處理，如圖5所示。因塔壁的反彎點位于層高中點位置。在圓板計算時，可取上下樓層各1/2層高墻體作為圓板的邊界約束，且將側壁自由端設置為鉸接，如圖6所示。簡化模型內力分布規(guī)律如圖7所示，對比多層模型與簡化模型塔壁與圓板在重力荷載作用下的內力分析結果表明：多層模型與簡化模型計算的塔壁與圓板的內力分布規(guī)律基本一致，且塔壁平面外彎矩及圓板彎矩最大值誤差小于5%，可采用簡化模型進行圓板設計。

2.2 預應力圓板內力、變形計算

三向預應力圓板在受力分析時主要考慮如下荷載工況：構件自重(含裝修面層)、設備荷載、物料荷載、溫度作用、預應力、混凝土收縮和徐變。由于干燥爐生產的最高溫度為90 ℃，在設計過程中，不僅要考慮季節(jié)變化引起的整體結構熱脹冷縮，同時要考慮構件內外表面的溫度梯度，避免因溫度梯度引起構件曲率變化導致塔壁、圓板內力計算產生誤差。本工程在溫度計算時，溫度差的取值為60 ℃。

在標準組合作用下，圓板上表面在塔壁與圓板交接處的主拉應力為0.88 MPa，主壓應力區(qū)呈環(huán)形分布，最大主壓應力為4.98 MPa，如圖8a)所示；板底應力也呈環(huán)形分布，最大主壓應力為2.99 MPa，主拉應力為1.22 MPa，如圖8b)所示。計算結果表明，三向預應力圓板滿足裂縫等級為二級的混凝土主拉、壓應力的控制要求。

在標準組合作用下，圓板結構最大位移約為11.8 mm，如圖8c)所示。在長期荷載效應作用下，受彎構件的長期剛度按式(1)進行計算：

(1)

由此可得：Bl=0.472Bs，在上期荷載效應組合下，圓板的中心撓度為25 mm。

在進行構件配筋設計時，荷載組合采用基本組合。雖然主應力等值線圖是結構截面配筋的依據(jù)，但存在根據(jù)主拉應力等值線圖難以判斷出主拉應力方向的問題。本工程為便于非預應力筋的施工，板底非預應力筋采用正交布置，這就導致主應力方向與非預應力筋布置方向不一致。本工程圓板參考相關文獻[4]～[6]建議采用正應力法進行板底配筋。

根據(jù)《水工結構設計規(guī)范》附錄D所述彈性應力配筋方法[7]:當截面在配筋方向的正應力圖形偏離線性較大時，受拉鋼筋截面面積應符合式(2)的規(guī)定：

(2)

其中，T為由荷載設計值確定的主拉應力在配筋方向上形成的總拉力，T=A×b，此處A為截面主拉應力在配筋方向上投影圖形的總面積，b為結構的截面寬度；Tc為混凝土承擔的拉力，Tc=Act×b，Act為截面主拉應力在配筋方向上投影圖形中拉應力值小于混凝土軸心抗拉強度設計值ft得圖形面積，如圖9所示；γd為鋼筋混凝土結構的結構系數(shù)。

在式(2)計算配筋過程中，混凝土承擔的拉力值Tc不宜大于總拉力值的30%。當彈性應力圖形中受拉區(qū)的高度大于結構截面高度的2/3時，取Tc=0。當配筋主要為了承載力且結構具有較明顯的彎曲破壞特征時，可集中配置在受拉區(qū)邊緣。本工程根據(jù)此方法進行板底配筋計算。受拉鋼筋計算面積As=3 924 mm2，配筋取為25@100。

圓板頂面非預應力筋沿著圓板徑向布置，根據(jù)計算結果，圓板與塔壁交接處在基本荷載組合作用下，板面負彎矩為486 kN/m2，故板面支座配筋為22@150，滿足計算要求。圓板非預應力筋布置如圖10所示。

3 三向預應力圓板施工

3.1 預應力圓板施工階段驗算

在對三向預應力圓板進行施工階段驗算時，根據(jù)圓板的實際受荷情況，僅考慮圓板自重以及預應力作用，預應力損失及混凝土收縮按《混凝土結構設計規(guī)范》執(zhí)行。經計算，在預應力筋張拉完成后，圓板出現(xiàn)輕微上拱，最大反拱位移為0.8 mm，位移如圖11c)所示，圓板中心工藝孔板面出現(xiàn)拉應力，最大主拉應力約為1.98 MPa，如圖11a)所示。在圓板底部，圓板與側壁交接處出現(xiàn)拉應力，最大主拉應力約為1.21 MPa，如圖11b)所示。即在施工過程中，圓板主拉應力均小于混凝土抗拉強度標準值，故圓板在施工階段滿足規(guī)范對不允許出現(xiàn)裂縫的構件的混凝土拉應力要求。

3.2 施工流程

預應力筋下料→支圓板底?！佋O非預應力底筋→安裝鋼絞線矢高控制點馬凳筋→鋪設扁形波紋管，設置排氣孔→穿預應力鋼絞線→安裝錨具及灌漿孔→設置預應力反向壓筋→鋪設上層非預應力筋→安裝側模→隱蔽工程驗收→混凝土澆筑及養(yǎng)護→預應力筋張拉→灌漿、封錨。

施工節(jié)點圖見圖12。

3.3 預應力張拉與灌漿、封錨

由于三向預應力圓板跨度較大，受力復雜，且施工階段驗算時并未分解各向預應力鋼絞線的張拉過程，本工程建議被張拉層混凝土強度等級達到設計強度等級的100%，且相鄰上一層樓板混凝土強度等級達到設計強度等級的50%后方可進行張拉。預應力鋼絞線張拉時采用超張拉法，一次張拉至1.03σcon?？紤]每根波紋扁管中有4根鋼絞線，且每兩根波紋管采用水平并列放置，為防止預應力鋼絞線在張拉過程中出現(xiàn)扭絞應力[8]，本工程建議每方向采用兩臺張拉設備，由兩側向中間對鋼絞線進行對稱逐根張拉。為使預應力圓板受力更均勻，要求并列放置的兩束鋼絞線張拉端與錨固端反向布置。

待預應力鋼絞線張拉完成檢查合格并靜停12 h后，測量預應力錨具處預應力筋的內縮值滿足規(guī)范要求后方可切斷預應力筋，涂刷專用防腐油脂，并安裝塑料封蓋。圓板預應力孔道灌漿料采用42.5普通硅酸鹽水泥與膨脹劑配置而成，灌漿壓力采用0.7 MPa，灌漿時從中間的灌漿孔進行灌漿，待排氣孔冒出濃漿時堵塞排氣孔，并繼續(xù)加壓，然后封閉灌漿孔。待灌漿完成后采用微膨脹混凝土澆筑對張拉端進行密封保護。

圓板預應力專項施工與主體結構施工存在交叉，兩者應相互配合進行施工[9]。甲方、監(jiān)理、施工管理人員應相互協(xié)調，提前對其進行詳細的施工組織設計。施工現(xiàn)場如圖13a),圖13b)所示。

4 結語

本文基于MidasGen有限元分析平臺，對大直徑三向預應力圓板進行了施工階段、承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)的計算分析，并結合施工的實際情況，得出以下結論及建議：

1)本制麥塔干燥爐、發(fā)芽箱內徑29.900 m，據(jù)悉為國內最大直徑的制麥車間。本工程的設計與施工為今后建造類似項目提供了寶貴的工程經驗。

2)29.900 m直徑有粘結預應力圓板采用三向布筋的方式，能有效的增加樓板的剛度，并減輕自重。不僅能較好的滿足工藝生產要求，并具有良好的經濟性。

3)扁形波紋管及扁形錨具的使用，能有效的控制預應力筋線的矢高，使預應力效果更為顯著。

4)因扁管中穿有多根預應力鋼絞線，在施工中應根據(jù)要求，采用合理的張拉順序，減小預應力鋼絞線的扭絞應力。

5)單根波紋管中，預應力鋼絞線張拉順序對各鋼絞線的預應力損失存在顯著影響。

6)有粘結預應力扁管技術在重載樓板中的工程經驗較少，且制麥塔進出物料頻繁，建議錨固端采用擠壓型錨具；并在張拉端采取防止夾片錨具松弛的措施。