預應力混凝土空心樓蓋錨固端裂縫原因與防控方法*

郜寶田

寧夏建投設計研究總院有限公司，寧夏 銀川 750001

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對建筑物的大空間、大跨度要求也隨之提高。為滿足大跨度建筑空間及板底的平整、美觀要求，采用混凝土空心樓蓋可以有效減輕結構自重，降低截面高度，增大樓蓋剛度。為了滿足大跨度混凝土構件正常使用性能，預應力技術是優選方案，不僅可以提升大跨度混凝土構件受力性能，還可以有效控制構件裂縫，且具有較好的經濟效益。

若鋼筋混凝土結構工程設計和施工中存在不足，則易帶來結構安全隱患，裂縫就是其中最常見的問題。針對預應力混凝土結構裂縫問題，國內外學者做了大量的分析研究。鄭永瑞等[1]對體外預應力加固的長周期在役預制梁開展了破壞性試驗研究，確定了其裂縫發展規律。劉昭清等[2]通過試驗和有限元方法，研究了現澆空心樓板中無黏結預應力鋼絞線的應力增量。馬肖彤等[3]以某加層改造實際工程為算例，對比分析了加層改造前后結構地震響應特征。辛亞軍等[4]提出了一種適用于裝配式結構的體外預應力鐮刀型錨固裝置。

文章重點研究了實際施工過程中出現的空心樓蓋預應力錨固端板面裂縫。通過研究空心樓蓋錨固端的結構構造、受力情況，可準確分析出裂縫產生的原因，用以完善設計工作，加強施工管控，保證工程質量，針對已發生裂縫的樓蓋，采取相應的加固方案，以保證結構使用安全。

1 工程概況

1.1 基本參數

該工程是四層商業用途框架結構，其使用性質需滿足大跨度大空間的建筑要求，通過方案對比，大空間樓蓋采用預應力現澆混凝土空心樓蓋。四邊簡支空心樓板基本參數如表1、表2所示。

表1 幾何參數 單位：mm

表2 材料參數

1.2 預應力錨固端應力分析

（1）后張法預應力施工。該工程采用后張法預應力施工，錨固端位于與預應力空心樓板相連接的邊梁上，其構造方式如圖1所示。從圖1中可以看出，當混凝土達到預定強度時，在邊梁處開始張拉錨固，邊梁為實體梁，尺寸為300mm×700mm，采用后張法進行預應力張拉，張拉力通過錨墊板傳遞至實體邊梁，再傳遞至空心樓蓋工字型截面上，因偏心彎矩的存在，會在工字型界面上產生不均勻應力。

圖1 預應力構件構造圖（單位：mm）

（2）預應力筋曲線特征。預應力筋曲線特征如圖2所示。設空心板跨度為L，各控制點高度分別為h左、h中和h右，則預應力筋矢高δ的計算公式如下：

圖2 預應力曲線特征圖

預應力筋摩擦角度θ的計算公式如下：

2 理論計算

預應力筋張拉端采取一端張拉；計算跨度為m跨，預應力筋計算參數如表3所示。采用STRAT軟件計算，預應力空心板跨中的承載能力極限狀態的正截面及斜截面承載力均符合要求。因此，文章不再對空心樓蓋跨中受力及變形進行分析，主要針對混凝土實體梁端部錨固區及實體梁與混凝土空心板轉換界面處進行計算，并對預應力后張法施工裂縫原因進行分析。

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表3 預應力筋曲線特征參數

（1）理論依據。后張法需要將預加應力Np通過錨具傳遞給實體梁混凝土，并將集中預加力以一定角度呈錐體狀傳遞到梁體的整個截面，這一過程需要一個過渡區段。在該構件過渡段內正應力線呈曲線分布，加之橫向正應力和剪應力不均勻分布，故應力分布十分復雜[5]。

（2）局部承壓計算。根據《預應力混凝土結構設計規范》（JGJ 369—2016）[6]，預應力筋有效應力計算如表4所示。

表4 短向預應力筋單束有效應力

其中，張拉控制應力σcon的計算公式如下：

式中：fptk為鋼絞線極限強度標準值。

錨具回縮損失σl1的計算公式如下：

摩擦損失σl2的計算公式如下：

鋼筋應力松弛，當σcon≤0.7fptk時，混凝土彈性壓縮引起的應力損失σl4的計算公式如下：

混凝土收縮徐變σl5=65MPa時，單束有效應力σe的計算公式如下：

（3）試配預應力筋。單束有效力Pe的計算公式如下：

單束等效荷載Qeq的計算公式如下：

每道肋里配預應力筋數量為n1束，則每米板帶中配預應力筋的數量可通過以下公式計算：

總預壓應力Np的計算公式如下：

平衡荷載（方向向上）Q平的計算公式如下：

短向方向上預應力筋平衡荷載計算如表5所示。

表5 短向預應力筋平衡荷載

（3）錨墊板預應力計算。錨墊板下混凝土的允許壓應力fcpi的計算如表6所示。

表6 混凝土的允許壓應力fcpi取值

（4）實體梁局部壓力計算。按照《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）[7]相關規定，混凝土強度取C40，局部壓應力應滿足以下要求：

式中：Fl為混凝土局部受壓承載力；βc為混凝土強度系數；βl為局部受壓強度提高系數；fc為混凝土抗壓強度設計值；α為間接鋼筋對混凝土約束的折減系數；ρv為螺旋箍鋼筋體積配筋率；βcor為受壓承載力提高系數；fyv為鋼筋抗壓強度設計值；A1n為受壓面積。

螺旋式配筋體積配筋率ρv的計算公式如下：

式中：ASS1為箍筋截面積；dcor為混凝土截面直徑；s為箍筋螺距。

當混凝土強度低于C50時，混凝土強度影響系數βc取1；間接鋼筋的局部受壓承載力提高系數βcor為1.18；混凝土局部受壓強度提高系數βl=3；混凝土抗壓強度設計值fc=19.1kN/mm2；凈截面積A1n=130×110-22.52×3.14=12710mm2。以圖1所示工字形截面為計算單元，當張拉混凝土強度達到90%時，F1=968.9kN＞Np=586kN，0.9βcβlfcA1n=589.9kN。通過驗算，當張拉混凝土強度達到80%時，其自身強度不滿足要求，需要配置適量的箍筋。

3 裂縫成因與防控

3.1 裂縫成因分析

空心樓蓋截面構造圖如圖3所示，箍筋有效作用占比32.89%，工字形截面配箍僅在腹板，配筋規格為φ8@200mm，配箍率較小，而孔道附近沒有配置內箍，對孔道附近應力集中幾乎沒有貢獻，同時上翼緣板沒有設置加強鋼筋網片，對上翼緣裂縫控制不力。

圖3 空心板配筋圖（單位：mm）

3.2 裂縫防控方法

（1）確保構件混凝土設計強度及張拉時混凝土的強度值滿足設計要求。按照《預應力混凝土結構設計規范》（JGJ 369—2016）[6]，混凝土設計強度不宜低于C40，且不應低于C30，張拉時混凝土強度值不應低于設計強度值75%，并滿足錨具對混凝土強度要求。

（2）拆模后，空心樓蓋的支座彎矩、剪力均對錨固端抗裂有影響，應在設計時進行驗算。

（3）精確控制混凝土構件截面尺寸和預埋錨墊板位置，錨墊板強度、剛度及墊板下混凝土局部抗壓強度值，鋼墊板要準確垂直于預應力鋼絞線孔道中心，使鋼墊板和其下混凝土處于正壓狀態[8]。

（4）端部翼緣板應配置加密網片，加強截面轉換處抗裂性能。

4 結論

文章對后張法預應力法施工階段的邊梁及空心板進行了結構構造、受力分析研究，主要得出了以下結論：（1）預應力錨固端板表面裂縫產生的主要原因是錨固端實體梁截面轉換至空心樓蓋工字形截面或T形截面處，受荷面積突變，預應力鋼絞線張拉產生的壓應力超過了此處的混凝土局部受壓承載力；（2）由于孔道偏心的影響，最大應力并沒有出現在孔道處，而是逐漸偏移至上翼緣處，從而導致界面處的拉、剪應力超過了混凝土的抗拉、抗剪強度，混凝土必然開裂，截面處混凝土開裂，其釋放的應力將全部由附近的鋼筋承擔，如果配筋強度不足、布置不合理，則裂縫會進一步擴展，影響工程結構質量。