麥芽塔三向預(yù)應(yīng)力圓板結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

周列武 王江勇

(中國輕工業(yè)武漢設(shè)計工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430060)

1 工程概況

某制麥車間由兩個內(nèi)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(nèi)徑為29.900 m預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋，錐浸層及屋面暫存?zhèn)}層采用預(yù)應(yīng)力正交梁板結(jié)構(gòu)。

制麥車間主體結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級均取為C50。除工藝生產(chǎn)所必須的進風(fēng)、排風(fēng)、排潮口外，圓板周邊均設(shè)置平均厚度約為600 mm的圓筒狀剪力墻，主要結(jié)構(gòu)平面如圖2 所示。由于麥芽塔生產(chǎn)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(yù)應(yīng)力技術(shù)來增加樓面結(jié)構(gòu)的剛度，以滿足結(jié)構(gòu)安全性、耐久性的要求，同時達(dá)到減小層高，提高經(jīng)濟性的目的。

2 三向預(yù)應(yīng)力圓板結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)件的受力復(fù)雜，計算模型的選取直接決定了計算結(jié)果的合理性及準(zhǔn)確性[1]。在本工程設(shè)計過程中，不僅要分析結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的內(nèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

2.1 預(yù)應(yīng)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(jīng)物料輸送系統(tǒng)傳送至兩層干燥爐內(nèi)進行干燥，每層干燥爐樓面荷載為發(fā)芽箱荷載的1/2。當(dāng)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yù)應(yīng)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(jīng)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(yù)應(yīng)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(nèi)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(dá)到峰值，然后因圓柱殼內(nèi)力傳遞規(guī)律而迅速衰減，因塔壁與圓板交接處應(yīng)力、變形集中，受力復(fù)雜，在設(shè)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(cè)壁自由端設(shè)置為鉸接，如圖6所示。簡化模型內(nèi)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(nèi)力分析結(jié)果表明：多層模型與簡化模型計算的塔壁與圓板的內(nèi)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(shè)計。

2.2 預(yù)應(yīng)力圓板內(nèi)力、變形計算

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

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

在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，圓板結(jié)構(gòu)最大位移約為11.8 mm，如圖8c)所示。在長期荷載效應(yīng)作用下，受彎構(gòu)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(yīng)組合下，圓板的中心撓度為25 mm。

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

根據(jù)《水工結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄D所述彈性應(yīng)力配筋方法[7]:當(dāng)截面在配筋方向的正應(yīng)力圖形偏離線性較大時，受拉鋼筋截面面積應(yīng)符合式(2)的規(guī)定：

(2)

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

在式(2)計算配筋過程中，混凝土承擔(dān)的拉力值Tc不宜大于總拉力值的30%。當(dāng)彈性應(yīng)力圖形中受拉區(qū)的高度大于結(jié)構(gòu)截面高度的2/3時，取Tc=0。當(dāng)配筋主要為了承載力且結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力筋沿著圓板徑向布置，根據(jù)計算結(jié)果，圓板與塔壁交接處在基本荷載組合作用下，板面負(fù)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(yù)應(yīng)力筋布置如圖10所示。

3 三向預(yù)應(yīng)力圓板施工

3.1 預(yù)應(yīng)力圓板施工階段驗算

在對三向預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力作用，預(yù)應(yīng)力損失及混凝土收縮按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行。經(jīng)計算，在預(yù)應(yīng)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(yīng)力，最大主拉應(yīng)力約為1.98 MPa，如圖11a)所示。在圓板底部，圓板與側(cè)壁交接處出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力約為1.21 MPa，如圖11b)所示。即在施工過程中，圓板主拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)件的混凝土拉應(yīng)力要求。

3.2 施工流程

預(yù)應(yīng)力筋下料→支圓板底模→鋪設(shè)非預(yù)應(yīng)力底筋→安裝鋼絞線矢高控制點馬凳筋→鋪設(shè)扁形波紋管，設(shè)置排氣孔→穿預(yù)應(yīng)力鋼絞線→安裝錨具及灌漿孔→設(shè)置預(yù)應(yīng)力反向壓筋→鋪設(shè)上層非預(yù)應(yīng)力筋→安裝側(cè)模→隱蔽工程驗收→混凝土澆筑及養(yǎng)護→預(yù)應(yīng)力筋張拉→灌漿、封錨。

施工節(jié)點圖見圖12。

3.3 預(yù)應(yīng)力張拉與灌漿、封錨

由于三向預(yù)應(yīng)力圓板跨度較大，受力復(fù)雜，且施工階段驗算時并未分解各向預(yù)應(yīng)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(dá)到設(shè)計強度等級的100%，且相鄰上一層樓板混凝土強度等級達(dá)到設(shè)計強度等級的50%后方可進行張拉。預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉時采用超張拉法，一次張拉至1.03σcon。考慮每根波紋扁管中有4根鋼絞線，且每兩根波紋管采用水平并列放置，為防止預(yù)應(yīng)力鋼絞線在張拉過程中出現(xiàn)扭絞應(yīng)力[8]，本工程建議每方向采用兩臺張拉設(shè)備，由兩側(cè)向中間對鋼絞線進行對稱逐根張拉。為使預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉完成檢查合格并靜停12 h后，測量預(yù)應(yīng)力錨具處預(yù)應(yīng)力筋的內(nèi)縮值滿足規(guī)范要求后方可切斷預(yù)應(yīng)力筋，涂刷專用防腐油脂，并安裝塑料封蓋。圓板預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力專項施工與主體結(jié)構(gòu)施工存在交叉，兩者應(yīng)相互配合進行施工[9]。甲方、監(jiān)理、施工管理人員應(yīng)相互協(xié)調(diào)，提前對其進行詳細(xì)的施工組織設(shè)計。施工現(xiàn)場如圖13a),圖13b)所示。

4 結(jié)語

本文基于MidasGen有限元分析平臺，對大直徑三向預(yù)應(yīng)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(jié)合施工的實際情況，得出以下結(jié)論及建議：

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

2)29.900 m直徑有粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(chǎn)要求，并具有良好的經(jīng)濟性。

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

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

5)單根波紋管中，預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉順序?qū)Ω麂摻g線的預(yù)應(yīng)力損失存在顯著影響。

6)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力扁管技術(shù)在重載樓板中的工程經(jīng)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。