大直徑水泥倉筒預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)比較與選擇

      隨著水泥生產(chǎn)線產(chǎn)能的不斷提高，筒倉直徑逐步增大，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已難以滿足承載力和裂縫控制要求，施工時(shí)放置鋼筋也極為困難，且難保證施工質(zhì)量。故參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，開始在大直徑混凝土筒倉中采用了后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，并取得成功，如1986建造的珠江水泥廠熟料庫、1997年建造的京陽水泥廠熟料庫等，為預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大直徑混凝土筒倉中的應(yīng)用開創(chuàng)了先河。近年來，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)越來越成熟，在其它結(jié)構(gòu)形式中得到了廣泛的應(yīng)用，成功的經(jīng)驗(yàn)也越來越多。其引用到大型筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅能有效地抑制裂縫的產(chǎn)生，而且取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

大型預(yù)應(yīng)力筒倉的受力特點(diǎn)

      大直徑筒倉結(jié)構(gòu)中，在儲(chǔ)料水平壓力作用下，倉壁受到很大的環(huán)向拉力，這將使倉壁產(chǎn)生裂紋。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的鋼筋混凝土筒倉，充分利用混凝土的抗壓性能和高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線的抗拉性能，對(duì)倉壁施加預(yù)應(yīng)力，用高強(qiáng)度鋼材來承擔(dān)倉壁的環(huán)向拉力，防止倉壁開裂，達(dá)到減小倉壁厚度，節(jié)省混凝土和鋼材的目的。預(yù)應(yīng)力筒倉結(jié)構(gòu)見圖1。

預(yù)應(yīng)力體系比較分析

     本文討論的后張預(yù)應(yīng)力體系是將鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力筋，兩端采用夾片式錯(cuò)具的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，主要分為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系。這兩種體系設(shè)計(jì)理論與工藝技術(shù)成熟，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)齊全，材料設(shè)備質(zhì)量穩(wěn)定，在我國(guó)土木工程界均有大量的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、使用要求、外部環(huán)境等因素，它們的適用范圍略有不同。2.1 技術(shù)性能有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的本質(zhì)區(qū)別在于混凝土結(jié)構(gòu)受力機(jī)理及變形機(jī)理不同。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后預(yù)應(yīng)力筋與結(jié)構(gòu)粘結(jié)形成整體，形成自應(yīng)力結(jié)構(gòu)，而無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在結(jié)構(gòu)中可永久滑動(dòng)形成永久的外部應(yīng)力。2.1.1預(yù)應(yīng)力損失筒倉倉壁為軸拉構(gòu)件，不論采用哪一種預(yù)應(yīng)力體系預(yù)應(yīng)力損失一樣包含張拉錨具變形、預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)損失、預(yù)應(yīng)力鋼筋摩擦、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力松弛損失及混凝土收縮和徐變損失等，因此倉壁承載力與抗裂計(jì)算中采用兩種預(yù)應(yīng)力體系的配筋計(jì)算方法是一致的，在不考慮摩擦損失的前提下，其配筋量應(yīng)相當(dāng)。但無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的主要特點(diǎn)之一是無粘結(jié)筋在張拉時(shí)，可在塑料外套內(nèi)自由滑動(dòng)，其摩擦系數(shù)μ=0.09。而有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋與波紋管壁間的摩擦系數(shù)μ=0.25。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失明顯大于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，要獲得相等的有效預(yù)應(yīng)力則需要更多的張拉壁柱與更多量的預(yù)應(yīng)力筋。2.1.2儲(chǔ)料溫度影響在框架預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，鋼絞線在張拉完成后，除由于鋼筋應(yīng)力松弛以及混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失外,預(yù)應(yīng)力還受溫度變化的影響,并且預(yù)應(yīng)力與環(huán)境溫度(或者混凝土溫度)問有著一定的關(guān)系。水泥工業(yè)的筒倉主要用來存儲(chǔ)生料、熟料和水泥等物料，它們的入庫溫度一般在70~110度之間，不論是有粘結(jié)筋還是無粘結(jié)筋都被布置在倉壁外側(cè)，考慮儲(chǔ)料濕度折減后，倉壁外測(cè)溫度不會(huì)超過60度。在此溫度下溫度變化對(duì)有粘結(jié)混凝土與無粘結(jié)混凝土的影響是相同的。因此在設(shè)計(jì)和使用階段，有粘結(jié)混凝土和無粘結(jié)混凝土可以考慮相同的溫度應(yīng)力。2.1.3 耐久性無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的涂料層具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)周圍材料無侵蝕作用，不透水，抗腐蝕性能強(qiáng)，在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)高溫不流淌、低溫不變脆，并具有一定的韌性。因此當(dāng)構(gòu)件開裂時(shí)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋不易發(fā)生銹蝕。而有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋直接和混凝土接觸，相對(duì)與無粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，更容易發(fā)生預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕。從這個(gè)意義上來講，無粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)更能提高構(gòu)件的耐久性。2.1.4抗震性能長(zhǎng)期以來國(guó)際上對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土在地震區(qū)的應(yīng)用一直存在較大的分歧口。在地震荷載作用下，從受力的角度看無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋一直處于受拉狀態(tài)，不會(huì)像有粘結(jié)筋可能轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，其應(yīng)力幅較小，承受大幅度位移時(shí)可將局部變形均勻分布于預(yù)應(yīng)力筋全長(zhǎng)，使預(yù)應(yīng)力筋保持在彈性階段。從變形的角度看，由于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力保持在彈性階段，往往達(dá)不到屈服強(qiáng)度，所以結(jié)構(gòu)有較好的變形恢復(fù)能力。從震后修復(fù)情況看，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土由于靠局部破壞來消耗地震能量，因此震后很難恢復(fù)其原有性能，而無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土只要修補(bǔ)局部的混凝土即可基本恢復(fù)結(jié)構(gòu)性能。從耗能機(jī)理角度來看，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土是通過預(yù)應(yīng)力筋與通道的摩擦來消耗能量，而有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)由于預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的粘結(jié)作用，應(yīng)力筋應(yīng)變；較大，可以通過局部破壞來消耗地震能量。因此在選取無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，針對(duì)其耗能能力弱的特點(diǎn)，可在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中配置一定數(shù)量的普通鋼筋，就可有效地改善裂縫的分布特點(diǎn)。

預(yù)應(yīng)力體系比較分析

2.2施工工藝水泥筒倉的倉壁結(jié)構(gòu)一般采用滑模施工工藝，預(yù)應(yīng)力工藝主要分為滑模階段的安裝與混凝土成形后的張拉兩大部分。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可在倉壁滑模施工時(shí)直接放入鋼筋骨架內(nèi)，混凝土成形后采用小型千斤頂單根張拉，根數(shù)布置靈活，工序簡(jiǎn)單，施工方便，質(zhì)量容易得到保證。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋需要編束;在制作混凝土構(gòu)件時(shí)需在混凝土內(nèi)預(yù)埋金屬(或塑料)波紋管；待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，在波紋管內(nèi)穿索；待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在混凝土構(gòu)件上成索張拉預(yù)應(yīng)力束，并用錨具錨固；最后向波紋管道內(nèi)壓力灌漿。張拉灌漿后，預(yù)應(yīng)力筋和結(jié)構(gòu)形成整體，共同受力，對(duì)兩端錨具的性能要求相對(duì)較低。但工藝過程較復(fù)雜，施工難度較大，質(zhì)量控制難度較高，主要集中于：澆筑混凝土?xí)r容易導(dǎo)致波紋管孔道偏位、滲漿現(xiàn)象;張拉后需要灌漿，而高空預(yù)應(yīng)力孔道的灌漿對(duì)灌漿設(shè)備要求高，灌漿質(zhì)量也不容易保證；有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋要采用大型千斤頂整束張拉，錨固要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)高；滑模施工時(shí)只能先埋設(shè)孔道，而后穿鋼絞線的難度較大。2.3經(jīng)濟(jì)性從表1中可以看出，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土施工可以節(jié)省機(jī)具，降低人工消耗。從工程造價(jià)方面考慮，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系較有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系成本節(jié)約20%左右。并且節(jié)省工期為工程帶來的潛在的經(jīng)濟(jì)效益并不能簡(jiǎn)單用數(shù)字來衡量。雖然看起來有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋用量相對(duì)大的工程設(shè)備攤銷成本會(huì)有所降低，而往往此時(shí)該工程中的預(yù)應(yīng)力規(guī)格較多，需要更多的張拉設(shè)備型號(hào)與數(shù)量，故對(duì)于需要新購設(shè)備的工程，尤其是海外工程等，這是成本增加的關(guān)鍵因素。

結(jié)束語

      無粘結(jié)混凝土體系相對(duì)于有粘結(jié)混凝土體系在耐久性和預(yù)應(yīng)力損失方面有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在抗震性方面處于劣勢(shì)，但通過在無粘結(jié)混凝土體系中配置一定數(shù)量的普通鋼筋，可改變其抗震性能。

表1為粘結(jié)與無粘結(jié)體系材料、施工機(jī)具及人工消耗對(duì)比：

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系在施工工藝及工程經(jīng)濟(jì)性等方面明顯優(yōu)于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系。

      預(yù)應(yīng)力筒倉設(shè)計(jì)中遇到的首要問題是體系的選擇。在滿足結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，工程人員應(yīng)選擇施工工藝簡(jiǎn)單、更加經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力體系，這也正是當(dāng)前筒倉設(shè)計(jì)與應(yīng)用中無粘結(jié)體系逐步取代有粘結(jié)體系的內(nèi)在原因。