缓粘结预应力技术在北京大兴国际机场工程中的应用研究

蒋方新 袁勇军 陈尚志 姚张婷 卫千峰

摘    要：对缓粘结预应力技术在北京大兴国际机场工程中的应用进行了介绍，包括缓粘结预应力与传统有粘结预应力的比较，技术选型，缓粘结预应力施工工艺及注意事项等，为缓粘结预应力在类似工程中的应用提供参考。

关键词：缓粘结预应力;工程应用

1  前言

缓粘结预应力技术是继有粘结预应力、无粘结预应力技术之后发展而来的第三代预应力技术。其以优良的结构性能与耐久性能、便捷的施工工艺越来越得到设计单位、施工单位认可，近年在多项具有影响力的典型工程中得到应用，应用规模逐年扩大。

缓粘结预应力技术的核心是缓粘结预应力钢绞线，缓粘结预应力钢绞线由三部分组成，由里向外依次为，钢绞线、缓凝粘合剂（亦称缓粘结胶粘剂）、外包护套，其组成示意图如1所示。其中钢绞线为普通钢绞线，强度级别为1860MPa，其与有粘结预应力、无粘结预应力所使用钢绞线相同。缓凝粘合剂是缓粘结预应力钢绞线最重要组成部分，其在施工状态呈稀膏状，起润滑作用，施工张拉过程中钢绞线可自由伸缩张拉。施工完成后缓凝粘合剂逐渐固化，最终固化强度可达到C50以上。因此，缓粘结预应力钢绞线具有两个指标参数，即张拉适用期与固化期。张拉适用期是指缓粘结预应力钢绞线从生产出来至仍适合张拉的时间段，此阶段摩擦系数较小，张拉容易。一般的，此阶段摩擦系数[μ]不超过0.12，缓粘结预应力钢绞线需在张拉适用期以内完成张拉，超过张拉适用期亦可张拉，但需根据实际情况评估摩擦损失大小是否满足设计意图。外包护套起定型与保护作用，外包护套呈肋状，须将内部缓凝粘合剂亦定型成肋的形状，后期受力是依靠固化的、高强度的缓凝粘合剂，不依靠护套。通过固化的、高强度的呈肋状的缓凝粘合剂与周围混凝土形成良好的咬合粘结作用，从而形成良好的粘结锚固作用，缓粘结预应力钢绞线与周围混凝土符合平截面假定，协同变形，共同工作。护套最重要指标为肋高与肋槽，肋高与肋槽的指标可以很好的保证缓粘结预应力钢绞线与混凝土之间良好的粘结锚固性能，反之，如肋高与肋槽达不到要求，则会降低构件的粘结锚固性能，从而影响抗弯性能、抗震性能、疲劳性能等。另一方面，缓凝粘合剂在生产、运输、铺装的过程中呈稀膏状，外包护套需对其形成保护，以免破损外流。

综上所述，缓粘结预应力综合了无粘结预应力与有粘结预应力的特点，即在施工阶段与无粘结预应力相同，具有施工便捷的特点;在使用阶段与有粘结预应力相同，具有结构性能优异的特点。

2  工程概况

北京大兴国际机场是建设在北京市大兴区与河北省廊坊市广阳区之间的超大型国际航空综合交通枢纽。北京新机场T1航站区建筑群总面积143万平方米，航站楼主体103万平方米。航站楼具有超长、大跨、荷载大的特点，因此在板中配置预应力控制温度裂缝，在梁中配置预应力控制挠度、裂缝并提供承载力，从而优化截面，减少普通钢筋，优化结构正常使用性能。北京大兴国际机场处于8度裂度区，抗震要求高，大部分梁为18m跨度，部分区域存在梁上柱的情况，荷载大，梁截面为1400[×]2000。本项目梁裂缝按0.2mm控制。

3  技术选型

框架梁可采用有粘结预应力，亦可采用缓粘结预应力，本章节将从施工工艺、施工质量及节点分析角度对二者进行比较从而进行技术选型。

3.1  工艺对比

有粘结预应力主要工序为：穿波纹管→波纹管中穿钢绞线→张拉→灌浆→封锚。缓粘结预应力主要工序为：穿钢绞线→张拉→封锚。缓粘结预应力比有粘结预应力少两道工序，即穿波纹管和灌浆。而穿波纹管及灌浆是有粘结工艺当中最容易出问题的地方。有粘结波纹管较粗，一般直径约为90mm左右，其在穿梁柱节点时常常难以穿过，造成波纹管压扁或破坏，导致后期难以在其中穿钢绞线及灌浆。同时，波纹管内灌浆常常难以密实，民建领域有粘结预应力灌浆密实度普遍在60%以下，普遍存在空洞、积水、管道堵塞、漏浆现象。钢绞线在内部容易受到锈蚀，会产生断面亏损、应力下降，影响结构受力和耐久性，且不能完全实现有粘效果。而缓粘结预应力不需要穿波纹管，亦无需灌浆，其可很好的与周围混凝土握裹，形成良好的粘结锚固性能，且施工便捷，工序短，周期快（施工周期約为有粘结预应力的一半）。

3.2  节点分析

以某框架梁为例，其截面为1400*2000，左支座配筋33φ40钢筋，跨中43φ40钢筋，右支座配筋36φ40钢筋。跨中梁上托柱。箍筋14@100（8），构造筋G16φ20。

此梁配置6[×]11φ15.2钢绞线。在图示节点处左右交叉张拉。如选用有粘结预应力，则节点区域共有12根有粘预应力管道需要在此处穿张。此处对应柱为变截面柱，其下方柱，其上圆柱，柱配筋情况及三维图如下所示。

方柱配筋为36φ32，钢筋净间距理论上为80mm，而波纹管尺寸约90mm以上。上部圆柱钢筋需下伸约1.8m左右，圆柱竖向筋水平向净距为14mm～95mm之间，与下部方柱竖向钢筋竖向重叠，在波纹管穿行路径方向，钢筋平面净距不足40mm，再加上箍筋、腰筋、拉钩和施工误差等致使此处钢筋更为密集，波纹管难以布穿。预应力筋在此处布置情况如下三维图所示。

从三模拟图可见，波纹管在穿行方向与普通钢筋多处发生碰撞，实际施工操作时，布穿波纹管非常困难，且波纹管与普通钢筋相互干扰非常严重，其施工质量难以保障，势必存在严重质量隐患。

缓粘结预应力为单根单孔布置，15.2规格缓粘结预应力钢绞线外径约22mm，其在此节点处完全可穿过钢筋间隙，布置灵活，其施工质量容易保障。

综合以上，本项目部分框架梁统一采用缓粘结预应力技术。

3.3  缓粘结预应力设计

因缓粘结预应力最后达到的是有粘的效果，故缓粘结预应力结构的极限承载力及挠度裂缝的验算与有粘结预应力基本相同。但因缓粘结预应力钢绞线中缓凝粘合剂在施工状态未完全固化，故在施工阶段的设计验算与有粘结预应力稍有不同。在施工阶段，缓凝粘合剂未完全固化，应按无粘结预应力进行极限承载力验算，其钢绞线设计强度应取考虑应力增量的极限应力值[σpu=σpe+Δσp]。在施工状态，如无大型机械或其它特殊荷载，进行承载力、挠度、裂缝验算时可只取恒载或恒载加0.5倍的活载。如结构承担大型施工机械或其它特殊施工荷载尚应进行专门计算。在缓凝粘合剂固化后，其状态已相当于有粘结预应力，故应采用有粘结预应力设计方法对其进行极限承载力状态验算及正常使用状态验算。同时，应注意缓粘结预应力摩擦系数与有粘结预应力、无粘结预应力不同。在按有粘结预应力进行缓粘结预应力设计计算时，应代入缓粘结预应力钢绞线摩擦系数。从下表可看出，缓粘结预应力筋摩擦系数小于有粘结预应力，其在相同配筋情况下摩擦损失将小于有粘结预应力。在提供相同有效应力的情况下，缓粘结预应力用量将小于有粘结预应力。在梁截面较高、预应力曲线角度较大的结构中，钢绞线节省量比较可观（一般情况下可节省3%～7%）。

4  缓粘结预应力施工

4.1  缓粘结预应力施工工艺

缓粘结预应力单根单孔布置，施工简便，无需穿波纹管、无需灌浆。其施工工艺如下图所示。

4.2  缓粘结预应力施工注意事项

（1）缓粘结预应力材料在进场时应进行外观检查，以确保缓粘结预应力材料外观合格，其应重点检查肋高与肋槽。不同规格的缓粘结预应力钢绞线，其肋高与肋槽要求如下：

（2）缓粘结预应力钢绞线进场后应做缓凝粘合剂快速拉伸剪切强度试验。

缓粘结预应力钢绞线中缓凝粘合剂最后固化后强度要求不低于C50，而固化期一般在一年以上，在完全固化后再做试验检查是符达到强度要求不符合工程要求。因此，在材料进场时就需进行试验判断是否能够达到标准强度。其判断手段就是进行缓凝粘合剂快速拉伸剪切强度试验。

（3）缓粘结预应力冬季施工时要注意做冬季张拉构造措施

一般冬季时，温度较低，会导致缓凝胶粘剂稠度过小（稠度越小，摩擦损失越大），张拉损失过大，应采用专业电加热设备对钢绞线进行通电加热升温，以降低由粘滞力产生的预应力损失。通电电压不得高于人体安全电压36V。北京大兴国际机场预应力张拉存在冬季张拉情况，且冬季温度较低，达到-10度以下。因此，本项目预应力在冬季张拉时采用了电加热措施，张拉效果良好。同时，常规预应力在-10度以下一般无法施工，而缓粘结预应力通过电加热方式实现了冬季施工，可以有效缩短工期，减少施工单位养护施工措施支出。

（4）成品保护。缓粘结预应力筋为工厂化生产，其成品是由钢绞线、缓凝胶粘剂和带肋的外包护套组成。为保证缓粘结预应力筋在结构中与混凝土有效工作，需要材料在装卸、运输、现场储存和布筋时注意成品保护，避免缓凝胶粘剂外漏。

①若发现外包护套轻微破损，应采用黑胶带充分缠绕。

②材料装卸应采用尼龙吊索，装卸过程中应轻装轻卸，严禁鋼丝绳和其它坚硬吊具与缓粘结预应力筋外包护套直接接触。

③材料运输过程中应采取可靠保护措施避免包装破损和散包。

④成品堆放期间，应分类堆放于通风良好、温度变化平稳处。成品不得与地面直接接触，并应采取覆盖或遮阴措施，严禁太阳直接暴晒。

（5）张拉。为减小张拉时的摩擦阻力，可以考虑多次张拉的方法来减小预应力孔道对钢绞线产生的阻力。用千斤顶张拉卸载反复2～3次，待缓凝粘合剂达到一定程度的软化，再装上夹片，直到张拉到位。也可采用一次张拉到位持荷3～4分钟。

5  结语

（1）缓粘结预应力具有无粘结预应力和有粘结预应力的共同优点，具有良好的经济效益和社会效益。

（2）针对北京大兴国际机场项目的预应力设计和施工介绍，为缓粘结预应力在类似工程项目的应用提供了参考。

参考文献：

[1] GB 50010—2010 .混凝土结构设计规范[S].

[2] 李佩勋.缓粘结预应力综合技术的研究和发展[J].工业建筑.2008（11）1～5.

[3] 吴转琴，曾昭波，尚仁杰等.缓粘结预应力钢绞线摩擦系数试验研究[J].工业建筑.2008（38）20～23.