軌道交通上蓋車輛基地超長(zhǎng)蓋板預(yù)應(yīng)力技術(shù)探析

文／任斯慧、霍奇 西安市軌道交通集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司 陜西西安 710021

安龍 中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司 北京 100043

鄭江 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 陜西西安 710055

引言：

上蓋開發(fā)車輛基地蓋板面積一般較大，單邊長(zhǎng)度通常在200m 以上，因此，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)是上蓋開發(fā)車輛基地的一個(gè)典型特色。適當(dāng)加大伸縮縫的設(shè)置間距，有利于優(yōu)化建筑空間，有利于結(jié)構(gòu)防水，但易引起超長(zhǎng)混凝土蓋板溫度收縮等問題，需采取一種合理且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段解決，即預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用[1]。本文按照從理論到實(shí)際的思路，先對(duì)軌道交通上蓋車輛基地超長(zhǎng)蓋板預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了技術(shù)分析及項(xiàng)目應(yīng)用分析。

1.軌道交通上蓋車輛基地超長(zhǎng)蓋板預(yù)應(yīng)力技術(shù)分析

1.1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)選型

在工程實(shí)際中，預(yù)應(yīng)力一般分為三種類型，分別為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力、緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力。其中有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工工藝繁瑣、質(zhì)量不易控制，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力粘結(jié)錨固性差、抗震性能不足，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異、符合抗震要求、施工工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量易于控制。具體來說，當(dāng)結(jié)構(gòu)因超長(zhǎng)、溫差、嚴(yán)控變形等工況采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)方案時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用無粘結(jié)或緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)[2]；當(dāng)結(jié)構(gòu)因強(qiáng)度控制、后續(xù)改造加固需局部開洞、抽柱等采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)方案時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，其次也可選用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)；條件嚴(yán)重受限而不得不采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)方案時(shí)，可選用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)；當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋密集，群錨布置困難或結(jié)構(gòu)使用環(huán)境腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，應(yīng)采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力。

1.2 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)選型

當(dāng)項(xiàng)目確定采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮項(xiàng)目的地域、季節(jié)、功能及相關(guān)施工特點(diǎn)確定緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的標(biāo)準(zhǔn)張拉適用期及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)固化期[3]?？紤]溫度因素是因?yàn)榄h(huán)境溫度等因素對(duì)張拉適用期有顯著影響，因此應(yīng)標(biāo)注實(shí)際張拉適用期及實(shí)際固化期。不同粘合劑類型及技術(shù)種類對(duì)應(yīng)的適用環(huán)境及固化期不同，通常按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。

步驟1：根據(jù)基本屬性要求確定梁垮截面的長(zhǎng)寬高數(shù)據(jù)及角度值；

步驟2：確定混凝土強(qiáng)度等級(jí)，確定預(yù)應(yīng)力筋信息；

步驟3：根據(jù)普通鋼筋計(jì)算配筋；

步驟4：進(jìn)行跨梁反拱計(jì)算；

步驟5：進(jìn)行梁撓度計(jì)算及裂縫寬度計(jì)算。

1.3 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋規(guī)格選型

大直徑鋼絞線肋高更高，粘結(jié)錨固性能更好。大直徑鋼絞線配筋根數(shù)更少，施工工作量減小，施工周期更短。由于絕大部分軌道交通上蓋車輛基地超長(zhǎng)蓋板厚度一般大于150mm，因此應(yīng)選擇相應(yīng)的溫度應(yīng)力筋，實(shí)踐中一般選擇使用17.8mm 或者21.8mm 的預(yù)應(yīng)力筋。采用大直徑預(yù)應(yīng)力筋可以有效減少預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)和綜合矢高。比如選擇使用17.8mm 直徑預(yù)應(yīng)力筋的情況下，截面積為191mm2，配筋30cm2，需要的配筋數(shù)量為16 根，綜合矢高為225mm[4]。

1.4 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線成束布置

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線每束之間的豎向距離保持在不小于1.5 倍的dp，dp 為緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的等效外徑。《緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 JGJ387-2017第6.2.7 條有明確說明。水平間距要同時(shí)滿足不少于2 倍的dp，不小于1.25 倍的粗骨料直徑，不小于80mm 三個(gè)條件。

2.軌道交通上蓋車輛基地超長(zhǎng)蓋板預(yù)應(yīng)力技術(shù)要點(diǎn)分析

2.1 重要參數(shù)的計(jì)算技術(shù)

2.1.1 抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算

有粘結(jié)、無粘結(jié)及緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的設(shè)計(jì)步驟基本相同，僅在一些參數(shù)的取值或計(jì)算公式上存在差別，反映在預(yù)應(yīng)力混凝土抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算、裂縫寬度計(jì)算、預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算的公式中。對(duì)于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的計(jì)算，直接設(shè)定抗拉強(qiáng)度為1320MPa；對(duì)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的計(jì)算，在預(yù)應(yīng)力有效值的基礎(chǔ)上增加一個(gè)基量；對(duì)于緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的計(jì)算，本著達(dá)到有粘貼功能即可，因此和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力一樣，直接設(shè)定抗拉強(qiáng)度為1320MPa[2]。

2.1.2 裂縫寬度標(biāo)準(zhǔn)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制，應(yīng)遵循《預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ369-2016。

無粘結(jié)和緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的裂縫控制等級(jí)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境類別確定。二b 和三類環(huán)境中不允許開裂。二a 類環(huán)境類別允許裂縫寬度0.1mm，一類環(huán)境類別允許裂縫寬度0.2mm。無粘結(jié)因只控制超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，裂縫不做單獨(dú)控制驗(yàn)算，按普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制。

2.2 預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

有粘結(jié)、無粘結(jié)及緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算公式相同，區(qū)別主要體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)的摩擦系數(shù)取值上。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋因?yàn)榫從澈蟿┑拇嬖?，其摩擦系?shù)與無粘結(jié)相當(dāng)。

2.3 預(yù)應(yīng)力度的概念

預(yù)應(yīng)力度是在構(gòu)件采用部分預(yù)應(yīng)力時(shí)引入的概念，即預(yù)應(yīng)力筋與普通鋼筋的配置比例關(guān)系問題。采用預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋混合配筋的部分預(yù)應(yīng)力混凝土，有利于改善裂縫和提高能量消散能力，可改善預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》采用預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，在一級(jí)抗震等級(jí)要求下，預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比λ 不大于0.75；在二三四級(jí)抗震等級(jí)要求下，預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比λ 不大于0.80；采用無粘貼預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)符合材料筋時(shí)，在二三四級(jí)抗震等級(jí)要求下，預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比λ 不大于0.50。

3.軌道交通上蓋車輛基地超長(zhǎng)蓋板預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 項(xiàng)目概況

以西安長(zhǎng)鳴路車輛段為例。長(zhǎng)鳴路車輛段南北向總長(zhǎng)約1036m，東西向?qū)挾燃s399m。E2 和F1 上預(yù)留3 層學(xué)校。G、H 和J 區(qū)上預(yù)留一層小汽車庫(kù)和10 左右層住宅。首層蓋板設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)單元平均邊長(zhǎng)在150m 左右。平面布置如圖1 所示

圖1 長(zhǎng)鳴車輛段分區(qū)示意圖

3.2 計(jì)算步驟

3.2.1 考慮溫度應(yīng)力的必要性

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）8.1 條規(guī)定室內(nèi)或土中混凝土框架結(jié)構(gòu)的最大長(zhǎng)度為55m，否則應(yīng)設(shè)伸縮縫。故樓面梁、板的設(shè)計(jì)需考慮溫度應(yīng)力的不利影響。

3.2.2 溫差的確定

（1）計(jì)算分析

本項(xiàng)目決定采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)解決本工程的超長(zhǎng)不設(shè)縫的問題。

經(jīng)大量工程經(jīng)驗(yàn)得知，最不利溫差發(fā)生在結(jié)構(gòu)施工階段，進(jìn)入裝修和使用階段（結(jié)構(gòu)上部覆土后），溫差趨向平緩。

本項(xiàng)目考慮整體溫差變化的作用。在施工階段，認(rèn)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；在使用階段，地下部分回填，因大地溫度變化較小，近似恒溫，因此可認(rèn)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。

因后澆帶間距36-45m，不考慮后澆帶閉合前各單元的溫度應(yīng)力。

（2）溫度作用取值

溫度降低引起結(jié)構(gòu)收縮，對(duì)于樓板產(chǎn)生拉應(yīng)力。減小溫度梯度，是減小溫度應(yīng)力最有效的途徑。

季節(jié)溫差

季節(jié)溫差是指混凝土澆筑成形階段的施工溫度（對(duì)于設(shè)有后澆帶的取后澆帶封堵時(shí)的溫度，即合攏溫度）與后期各個(gè)階段溫度的差值。具體可按下式計(jì)算：

式中：Tmax為最高月平均溫度；

Tmin為最低月平均溫度；

T0為初始溫度（后澆帶閉合時(shí)的合攏溫度）；

根據(jù)西安市基本氣候情況資料統(tǒng)計(jì)得知：西安市平均最高溫度37.0℃；西安市平均最低溫度-9.0℃。合攏溫度暫定10～15℃。施工階段；正常使用階段（最不利季節(jié)溫差）

混凝土收縮當(dāng)量溫差

混凝土內(nèi)部的水分蒸發(fā)可引起混凝土體積收縮。這種收縮過程是由表及里逐步發(fā)展的，混凝土結(jié)硬初期發(fā)展較快，二周可完成全部收縮的1/4，3 個(gè)月～6 個(gè)月完成60～80%，以后增長(zhǎng)緩慢，一般兩年后趨于穩(wěn)定。當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度不均勻時(shí)，混凝土變形也不均勻，而且內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂。

因此，在計(jì)算混凝土的溫度應(yīng)力時(shí)必須考慮這個(gè)收縮因素。為了方便計(jì)算，將收縮變形值換算成“收縮當(dāng)量溫差”。即將收縮產(chǎn)生的變形折算成引起混凝土相同變形所需的溫度。依據(jù)《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》混凝土收縮變形可由下式計(jì)算：

t 為齡期，為天為單位；t 取值60d。

M為考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)（表1）；計(jì)算值M=0.767，本工程暫取值0.80。

表1 修正系數(shù)

本工程留設(shè)后澆帶，在后澆帶未澆注之前，超長(zhǎng)板可視為一種能接近于自由變形的構(gòu)件，后澆帶在主體結(jié)構(gòu)澆筑完畢2 個(gè)月以后澆注，可認(rèn)為收縮變形中已完成36%的自由變形，殘余應(yīng)變?chǔ)?=0.64ε=2.07×10-4 才在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力。混凝土的線膨脹系數(shù)為α=1×10-5/℃，收縮當(dāng)量溫差ΔTc=ε2/α=20.7℃。

綜合溫差

實(shí)際計(jì)算框架結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)時(shí)，還應(yīng)考慮剛度折減系數(shù)和松弛系數(shù)。

①剛度折減系數(shù)。因混凝土材料的彈塑性，混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下，應(yīng)當(dāng)考慮混凝土塑性及裂縫的影響，梁柱的抗彎剛度應(yīng)乘以一個(gè)折減系數(shù)，本工程取0.85。

②松弛系數(shù)。季節(jié)溫差是一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的作用過程，是與時(shí)間有關(guān)的變量，因此必須考慮徐變的影響。按彈性計(jì)算的溫差應(yīng)力應(yīng)乘以徐變應(yīng)力的松弛系數(shù)來修正應(yīng)力計(jì)算值。松弛系數(shù)H(t，π)=0.3～0.5，本工程取0.4。由于結(jié)構(gòu)計(jì)算按彈性連續(xù)假定，為計(jì)算方便，可先將上述溫差乘以剛度折減系數(shù)和松弛系數(shù)作為計(jì)算綜合溫差，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性分析。

故本工程最不利溫差：

3.3 有限元模型建模

結(jié)構(gòu)采用盈建科YJKS3.1.1 有限元前處理軟件建立模型，如圖2 所示。梁板混凝土為C40，柱混凝土為C40～C60。

圖2 有限元前處理軟件建立模型

樓板配筋為普通鋼筋+預(yù)應(yīng)力鋼筋組合。將溫度應(yīng)力工況獨(dú)立出來，單獨(dú)計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，讀取蓋板在溫度荷載作用下的應(yīng)力，通過預(yù)應(yīng)力鋼筋解決。樓板的普通鋼筋不考慮溫度應(yīng)力。

3.4 預(yù)應(yīng)力的影響計(jì)算方法

G2 及J 區(qū)溫度應(yīng)力計(jì)算：

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)

輸入溫度荷載。

（2）計(jì)算取值

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，梁、板中橫向建立2.2 MPa 壓應(yīng)力，豎向建立1.6 MPa 壓應(yīng)力。

（3）材料參數(shù)

采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。

fptk=1860MPa，D=15.2mm

Ap=140mm2

σcon=0.75fptk=0.75×1860=1395MPa

σs=1395×0.70=976.5MPa（預(yù)應(yīng)力損失按30%計(jì)算）

單根預(yù)應(yīng)力筋張拉后的拉力

Np=976.5×140=136710N。

（4）配筋計(jì)算

①橫向板厚h=250mm

取1m 寬板壓應(yīng)力為2.2MPa 計(jì)算板中壓力Ns

Ns=1000×250×2.2=550000N

每米板范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)

n=550000/136710=4.02（根），實(shí)際配置4 根。

②豎向板厚h=250mm

豎向取1m 寬板壓應(yīng)力為1.6MPa 計(jì)算板中壓力Ns

Ns=1000×250×1.6=400000N

每米板范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)

n=400000/136710=2.93（根），實(shí)際配置3 根。

③橫向梁

梁內(nèi)壓應(yīng)力為2.2MPa

梁截面900×1500

Ns=900×1500×2.2=2970000N

梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)n=2970000/136710=21.7（根），實(shí)際配置20 根。

梁截面500×800

Ns=500×800×2.2=880000N

梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)n=880000/136710=6.45（根），實(shí)際配置8 根。

④豎向梁

梁內(nèi)壓應(yīng)力為1.6MPa

梁截面1400×1700

Ns=1400×1700×1.6=3808000N

梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)n=3808000/136710=27.8（根），實(shí)際配置24 根。

梁截面500×800

Ns=500×800×1.6=640000N

梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)n=936000/136710=4.68（根），實(shí)際配置6 根。

結(jié)語(yǔ)：

本文按照理論聯(lián)系實(shí)際的思路，對(duì)軌道交通上蓋車輛基地超長(zhǎng)蓋板預(yù)應(yīng)力技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了著重論述，以西安長(zhǎng)鳴路車輛段在建項(xiàng)目為例，進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力計(jì)算的應(yīng)用分析。在下步的研究工作中，著重需要做好以下三個(gè)方面工作。一是選取更多在建項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)例分析。二是針對(duì)三種不同預(yù)應(yīng)力特點(diǎn)，分別對(duì)計(jì)算問題進(jìn)行研究。三是進(jìn)一步提升計(jì)算方法的準(zhǔn)確度與快捷性?？傮w上來看，本文研究方法正確，提出的算法性能優(yōu)異，具有良好的應(yīng)用前景。