轨道交通上盖车辆基地超长盖板预应力技术探析

文／任斯慧、霍奇 西安市轨道交通集团有限公司建设分公司 陕西西安 710021

安龙 中铁二十二局集团轨道工程有限公司 北京 100043

郑江 西安建筑科技大学土木工程学院 陕西西安 710055

引言：

上盖开发车辆基地盖板面积一般较大，单边长度通常在200m 以上，因此，超长混凝土结构是上盖开发车辆基地的一个典型特色。适当加大伸缩缝的设置间距，有利于优化建筑空间，有利于结构防水，但易引起超长混凝土盖板温度收缩等问题，需采取一种合理且经济的技术手段解决，即预应力结构技术的应用[1]。本文按照从理论到实际的思路，先对轨道交通上盖车辆基地超长盖板预应力进行了技术分析及项目应用分析。

1.轨道交通上盖车辆基地超长盖板预应力技术分析

1.1 预应力技术选型

在工程实际中，预应力一般分为三种类型，分别为有粘结预应力、无粘结预应力、缓粘结预应力。其中有粘结预应力施工工艺繁琐、质量不易控制，无粘结预应力粘结锚固性差、抗震性能不足，缓粘结预应力结构性能优异、符合抗震要求、施工工艺简单、质量易于控制。具体来说，当结构因超长、温差、严控变形等工况采用预应力技术方案时，应优先选用无粘结或缓粘结预应力技术[2]；当结构因强度控制、后续改造加固需局部开洞、抽柱等采用预应力技术方案时，应优先选用缓粘结预应力技术，其次也可选用有粘结预应力技术；条件严重受限而不得不采用预应力技术方案时，可选用无粘结预应力技术；当梁柱节点钢筋密集，群锚布置困难或结构使用环境腐蚀性较强时，应采用缓粘结预应力。

1.2 缓粘结预应力技术选型

当项目确定采用缓粘结预应力技术方案时，应综合考虑项目的地域、季节、功能及相关施工特点确定缓粘结预应力钢绞线的标准张拉适用期及对应的标准固化期[3]。考虑温度因素是因为环境温度等因素对张拉适用期有显著影响，因此应标注实际张拉适用期及实际固化期。不同粘合剂类型及技术种类对应的适用环境及固化期不同，通常按照以下步骤进行设计。

步骤1：根据基本属性要求确定梁垮截面的长宽高数据及角度值；

步骤2：确定混凝土强度等级，确定预应力筋信息；

步骤3：根据普通钢筋计算配筋；

步骤4：进行跨梁反拱计算；

步骤5：进行梁挠度计算及裂缝宽度计算。

1.3 缓粘结预应力筋规格选型

大直径钢绞线肋高更高，粘结锚固性能更好。大直径钢绞线配筋根数更少，施工工作量减小，施工周期更短。由于绝大部分轨道交通上盖车辆基地超长盖板厚度一般大于150mm，因此应选择相应的温度应力筋，实践中一般选择使用17.8mm 或者21.8mm 的预应力筋。采用大直径预应力筋可以有效减少预应力筋根数和综合矢高。比如选择使用17.8mm 直径预应力筋的情况下，截面积为191mm2，配筋30cm2，需要的配筋数量为16 根，综合矢高为225mm[4]。

1.4 缓粘结预应力钢绞线成束布置

缓粘结预应力钢绞线每束之间的竖向距离保持在不小于1.5 倍的dp，dp 为缓粘结预应力钢绞线的等效外径。《缓粘结预应力混凝土结构技术规程》 JGJ387-2017第6.2.7 条有明确说明。水平间距要同时满足不少于2 倍的dp，不小于1.25 倍的粗骨料直径，不小于80mm 三个条件。

2.轨道交通上盖车辆基地超长盖板预应力技术要点分析

2.1 重要参数的计算技术

2.1.1 抗弯强度设计值计算

有粘结、无粘结及缓粘结预应力混凝土的设计步骤基本相同，仅在一些参数的取值或计算公式上存在差别，反映在预应力混凝土抗弯强度设计值计算、裂缝宽度计算、预应力损失计算的公式中。对于有粘结预应力的计算，直接设定抗拉强度为1320MPa；对于无粘结预应力的计算，在预应力有效值的基础上增加一个基量；对于缓粘结预应力的计算，本着达到有粘贴功能即可，因此和有粘结预应力一样，直接设定抗拉强度为1320MPa[2]。

2.1.2 裂缝宽度标准

预应力混凝土结构的裂缝控制，应遵循《预应力混凝土设计规范》JGJ369-2016。

无粘结和缓粘结预应力混凝土的裂缝控制等级，应根据环境类别确定。二b 和三类环境中不允许开裂。二a 类环境类别允许裂缝宽度0.1mm，一类环境类别允许裂缝宽度0.2mm。无粘结因只控制超长结构的温度应力，裂缝不做单独控制验算，按普通混凝土结构设计标准控制。

2.2 预应力损失计算

有粘结、无粘结及缓粘结预应力损失的计算公式相同，区别主要体现在预应力筋张拉时的摩擦系数取值上。缓粘结预应力筋因为缓凝粘合剂的存在，其摩擦系数与无粘结相当。

2.3 预应力度的概念

预应力度是在构件采用部分预应力时引入的概念，即预应力筋与普通钢筋的配置比例关系问题。采用预应力筋和普通钢筋混合配筋的部分预应力混凝土，有利于改善裂缝和提高能量消散能力，可改善预应力混凝土结构的抗震性能。根据《预应力混凝土结构抗震设计规程》采用预应力钢筋时，在一级抗震等级要求下，预应力强度比λ 不大于0.75；在二三四级抗震等级要求下，预应力强度比λ 不大于0.80；采用无粘贴预应力纤维增强符合材料筋时，在二三四级抗震等级要求下，预应力强度比λ 不大于0.50。

3.轨道交通上盖车辆基地超长盖板预应力技术应用分析

3.1 项目概况

以西安长鸣路车辆段为例。长鸣路车辆段南北向总长约1036m，东西向宽度约399m。E2 和F1 上预留3 层学校。G、H 和J 区上预留一层小汽车库和10 左右层住宅。首层盖板设置结构缝，结构单元平均边长在150m 左右。平面布置如图1 所示

图1 长鸣车辆段分区示意图

3.2 计算步骤

3.2.1 考虑温度应力的必要性

混凝土结构设计规范（GB50010-2010）8.1 条规定室内或土中混凝土框架结构的最大长度为55m，否则应设伸缩缝。故楼面梁、板的设计需考虑温度应力的不利影响。

3.2.2 温差的确定

（1）计算分析

本项目决定采用无粘结预应力技术解决本工程的超长不设缝的问题。

经大量工程经验得知，最不利温差发生在结构施工阶段，进入装修和使用阶段（结构上部覆土后），温差趋向平缓。

本项目考虑整体温差变化的作用。在施工阶段，认为结构在大气中温度均匀，结构随大气温度变化而变化；在使用阶段，地下部分回填，因大地温度变化较小，近似恒温，因此可认为地下部分结构温度保持恒定，可不考虑温度作用的影响。

因后浇带间距36-45m，不考虑后浇带闭合前各单元的温度应力。

（2）温度作用取值

温度降低引起结构收缩，对于楼板产生拉应力。减小温度梯度，是减小温度应力最有效的途径。

季节温差

季节温差是指混凝土浇筑成形阶段的施工温度（对于设有后浇带的取后浇带封堵时的温度，即合拢温度）与后期各个阶段温度的差值。具体可按下式计算：

式中：Tmax为最高月平均温度；

Tmin为最低月平均温度；

T0为初始温度（后浇带闭合时的合拢温度）；

根据西安市基本气候情况资料统计得知：西安市平均最高温度37.0℃；西安市平均最低温度-9.0℃。合拢温度暂定10～15℃。施工阶段；正常使用阶段（最不利季节温差）

混凝土收缩当量温差

混凝土内部的水分蒸发可引起混凝土体积收缩。这种收缩过程是由表及里逐步发展的，混凝土结硬初期发展较快，二周可完成全部收缩的1/4，3 个月～6 个月完成60～80%，以后增长缓慢，一般两年后趋于稳定。当混凝土内部温度不均匀时，混凝土变形也不均匀，而且内部产生的应力导致混凝土开裂。

因此，在计算混凝土的温度应力时必须考虑这个收缩因素。为了方便计算，将收缩变形值换算成“收缩当量温差”。即将收缩产生的变形折算成引起混凝土相同变形所需的温度。依据《工程结构裂缝控制》混凝土收缩变形可由下式计算：

t 为龄期，为天为单位；t 取值60d。

M为考虑各种非标准条件的修正系数（表1）；计算值M=0.767，本工程暂取值0.80。

表1 修正系数

本工程留设后浇带，在后浇带未浇注之前，超长板可视为一种能接近于自由变形的构件，后浇带在主体结构浇筑完毕2 个月以后浇注，可认为收缩变形中已完成36%的自由变形，残余应变ε2=0.64ε=2.07×10-4 才在结构中产生拉应力。混凝土的线膨胀系数为α=1×10-5/℃，收缩当量温差ΔTc=ε2/α=20.7℃。

综合温差

实际计算框架结构的温度效应时，还应考虑刚度折减系数和松弛系数。

①刚度折减系数。因混凝土材料的弹塑性，混凝土结构在荷载作用下，应当考虑混凝土塑性及裂缝的影响，梁柱的抗弯刚度应乘以一个折减系数，本工程取0.85。

②松弛系数。季节温差是一个长期缓慢的作用过程，是与时间有关的变量，因此必须考虑徐变的影响。按弹性计算的温差应力应乘以徐变应力的松弛系数来修正应力计算值。松弛系数H(t，π)=0.3～0.5，本工程取0.4。由于结构计算按弹性连续假定，为计算方便，可先将上述温差乘以刚度折减系数和松弛系数作为计算综合温差，再进行结构的弹性分析。

故本工程最不利温差：

3.3 有限元模型建模

结构采用盈建科YJKS3.1.1 有限元前处理软件建立模型，如图2 所示。梁板混凝土为C40，柱混凝土为C40～C60。

图2 有限元前处理软件建立模型

楼板配筋为普通钢筋+预应力钢筋组合。将温度应力工况独立出来，单独计算。根据计算结果，读取盖板在温度荷载作用下的应力，通过预应力钢筋解决。楼板的普通钢筋不考虑温度应力。

3.4 预应力的影响计算方法

G2 及J 区温度应力计算：

（1）设计参数

输入温度荷载。

（2）计算取值

依据计算结果，梁、板中横向建立2.2 MPa 压应力，竖向建立1.6 MPa 压应力。

（3）材料参数

采用无粘结预应力筋。

fptk=1860MPa，D=15.2mm

Ap=140mm2

σcon=0.75fptk=0.75×1860=1395MPa

σs=1395×0.70=976.5MPa（预应力损失按30%计算）

单根预应力筋张拉后的拉力

Np=976.5×140=136710N。

（4）配筋计算

①横向板厚h=250mm

取1m 宽板压应力为2.2MPa 计算板中压力Ns

Ns=1000×250×2.2=550000N

每米板范围内预应力筋根数

n=550000/136710=4.02（根），实际配置4 根。

②竖向板厚h=250mm

竖向取1m 宽板压应力为1.6MPa 计算板中压力Ns

Ns=1000×250×1.6=400000N

每米板范围内预应力筋根数

n=400000/136710=2.93（根），实际配置3 根。

③横向梁

梁内压应力为2.2MPa

梁截面900×1500

Ns=900×1500×2.2=2970000N

梁内预应力筋根数n=2970000/136710=21.7（根），实际配置20 根。

梁截面500×800

Ns=500×800×2.2=880000N

梁内预应力筋根数n=880000/136710=6.45（根），实际配置8 根。

④竖向梁

梁内压应力为1.6MPa

梁截面1400×1700

Ns=1400×1700×1.6=3808000N

梁内预应力筋根数n=3808000/136710=27.8（根），实际配置24 根。

梁截面500×800

Ns=500×800×1.6=640000N

梁内预应力筋根数n=936000/136710=4.68（根），实际配置6 根。

结语：

本文按照理论联系实际的思路，对轨道交通上盖车辆基地超长盖板预应力技术要点进行了着重论述，以西安长鸣路车辆段在建项目为例，进行了预应力计算的应用分析。在下步的研究工作中，着重需要做好以下三个方面工作。一是选取更多在建项目进行实例分析。二是针对三种不同预应力特点，分别对计算问题进行研究。三是进一步提升计算方法的准确度与快捷性。总体上来看，本文研究方法正确，提出的算法性能优异，具有良好的应用前景。