裝配式預應力錨索框架結構設計與施工關鍵技術

武仁文

（廣西益建工程建設監理有限責任公司，廣西 防城港 538000）

裝配式預應力錨索框架結構是近年來新興的一類邊坡防護技術，相比于傳統錨索框架結構，該結構具有高機械化、高防護性、受力穩定等獨特優勢，可極大縮短邊坡支護工程施工工期，提升邊坡防護技術水平。當前，國內外有關裝配式預應力錨索結構的研究較為深入，但在設計方法、施工關鍵技術等方面仍存在一定缺陷。預制梁、現澆梁的受力模式存在較大差異，為此需要針對裝配式預應力錨索框架結構特點及受力情況展開分析。此外，在裝配式預應力錨索框架結構施工關鍵技術等方面尚未形成一個完整的系統理論，對此還需開展深入研究。基于此，本文對裝配式預應力錨索框架結構設計與施工關鍵技術展開研究。

1 預應力錨索框架結構概述

將平面框架、預應力錨索兩種構件按照特定方式組合裝配在一起，利用錨索、框架和邊坡的巖石、土體形成支護結構，以錨索、框架、巖石土體間的相互作用共同承受滑坡推力，共同應對由邊坡卸荷松弛所產生的巖石壓力，促使邊坡處于穩定狀態，此種結構即為預應力錨索框架結構。20 世紀90 年代，預應力錨索框架結構被提出并持續推廣應用。當前，此種結構已被廣泛應用在公路、鐵路等邊坡防護施工，可有效整治斜坡類自然災害[1]。

2 裝配式預應力錨索框架結構特點及受力分析

2.1 結構特點

預應力錨索框架結構的主要特點表現在八個方面：第一，預應力錨索、框架、邊坡巖石土體之間的相互作用可形成支擋結構。預應力錨索為柔性受力桿，可承受拉力但無法承受壓力，可將已經變形、滑坡的巖石、土體看作受壓桿，在此種坡面利用特定強度的框架結構，可形成一個完整的受力體系，共同阻抗邊坡下滑力[2]。第二，此種結構體系可充分利用巖石、土體強度。基于框架轉換作用，可將邊坡推力轉化為拉力，在預應力錨索作用下可起到穩定地形作用。第三，此種結構體系易于同各類抗滑支擋結構組合應用。換句話說，預應力錨索框架即可單獨使用，又可同其他結構何用。第四，此結構體系使用位置較為靈活，可不受地形等條件限制。第五，可有效改善邊坡巖石、土體的受力狀態。第六，可減少邊坡開挖量，進而降低邊坡開外高度，減少邊坡防護工程對自然斜坡的破壞。第七，該結構體系可同多種植被防護體系共同應用，可同施工周圍環境融為一體。第八，該結構體系具有施工簡易，施工風險低，施工速度快、成本低等特點[3]。

2.2 受力分析

基于預應力錨索框架結構特點，針對裝配式預應力錨索框架結構的受力特征展開深入分析，進一步明確此種結構同現澆式錨索框架結構的受力區別，具體如下：

在錨固階段，現澆式錨索框架結構的梁體受彎矩作用為：上部承受壓力，下部承受拉力。與之相反，在預應力施加階段，裝配式錨索框架結構在預應力的作用下會促使梁體受壓，同時基于預應力偏心作用，促使梁體彎矩，其彎矩作用為：上部承受拉力，下部承受壓力。在此過程中，預制梁始終處于壓彎狀態下，整體變現為向上方隆起。預制梁在錨固階段，由于受到錨固力作用，促使預制梁彎矩向下隆起，此時彎矩的隆起方向同預應力施加階段的隆起方向相反。預應力可以消除由于部分錨桿引起的梁體彎矩，促使預制梁承受的拉應力大幅減小，使梁體承載能力和抗裂性得到改善[4]。

3 裝配式預應力錨索框架結構設計方法

3.1 設計流程

裝配式預應力框架梁是一種單獨預制構件，每一塊預制梁僅能承受一個錨固力的載荷作用，利用錨索可將拉力轉化為集中力，并將其作用預制梁的中心位置，促使預制梁可承受坡體的反作用力。在此種受力原理及裝配式預應力錨索框架結構受力特征的基礎上，本文基于前人研究理論，在遵循《預應力混凝土結構設計規范》JGJ 369-2016 等相關規范的基礎上[5]，依據二級抗裂構件要求，開展裂縫控制。在預應力十字梁中，混凝土的拉伸強度不超過規定中的混凝土極限承載能力，采用規范方法對裝配式預應力錨索框架結構截面、配筋及相應結構進行了設計，具體設計流程為：

確定滑坡面及巖石、土體參數→計算滑坡推力、錨索錨固力→初步擬定預制梁形式、尺寸→計算梁體承受彎矩、剪力、變形→依據抗裂要求、承載力要求設計鋼筋、非鋼筋位置及數量→計算預應力損失、有效預應力→承載方基狀態、施工階段、使用階段驗算→滿足驗算要求→完成結構設計。

根據上述設計流程，可將裝配式預應力錨索框架結構的設計過程分為三個階段：

階段一：預制梁內力、變形計算。本文基于預制梁特點，基于Timoshenko 梁理論，在充分考慮梁體配筋、預應力作用的前提下，可計算預制梁承受彎矩、剪力、變形，可為梁體預應力、非預應力鋼筋設計提供計算方法及理論依據。

階段二：基于抗裂要求、承載力要求的預應力、非預應力鋼筋位置及數量設計。需要依據抗裂要求設計預應力鋼筋的具體應用位置，明確其應用數量。需要依據裝配式預制梁的抗彎要求、承載力要求設計非預應力鋼筋的具體位置，明確其應用數量。

階段三：預制梁承載力驗算、變形驗算。基于預應力損失、鋼筋有效應力計算結果，需要驗算預制梁承載力極限，正常使用狀態下的承載極限以及變形狀態。同時還需要對預應力張力、拉力，吊裝階段預制梁整個梁體的受力、變形情況加以驗算。若驗算結果無法通過，應回到流程中的第三步，重新擬定預制梁形式、尺寸，重新開展結構設計與計算。

3.2 應用實例

選取A 高速公路向K25+580-K25+5690 段，一側邊坡作為實際應用案例，二級坡在應用預制十字梁（規格：5.5m×2.9m）后開展張法施工，具體參數為：

縱橫梁中心厚度（t）=600mm

梁端部厚度（t）=400mm

截面寬度（b）=400mm

設計錨固力（F）=400kN

基于Timoshenko 梁理論的計算公式，在設計錨固力基礎上計算縱梁分配錨固力，即275kN，得出縱梁最大彎矩=183kN·m，縱梁最大剪力=147kN。橫梁錨固力，即125kN，得出橫梁最大彎矩=44kN·m，橫梁最大剪力=62kN。所選擇的混凝土強度等級為C40，預應力鋼束為φs15.2。根據上文中提及的裝配式預應力錨索框架結構設計流程，依據抗裂性要求設計預制梁。

4 裝配式預應力錨索框架結構的施工關鍵技術

4.1 施工工藝流程

待裝配式預應力錨索框架結構設計方法明確后，進一步分析其所應用的施工關鍵技術，具體施工工藝流程：預制場地選擇、模板加工→安裝→混凝土澆筑→梁體預應力章控、封墻→預制構件吊裝→坡面錨索多次張拉→背襯注漿找平→錨索封墻。

4.2 預制梁制作

先張法、后張法是預制梁常用的制作功法。先張法具有用料少這一優勢，但此種方法具有極高的模具要求，具有較慢的模具周轉效率，同時使用先張法制作預制梁具有制作周期長、效率低、成品獲得速度慢等缺陷。后張法具有模具周轉快、制作周期短、效率高等優勢，但也存在用料多這一缺陷。在后張法使用過程中，可選擇兩種混凝土結構，即有黏結混凝土、無黏結混凝土，利用無黏結預應力混凝土可持續簡化施工工藝流程。基于上述分析，在明確兩種預制梁制作方法優缺點的前提下，出于成本、效率等多方面考慮，本文在預制梁制作過程中選擇應用后張法。具體施工方法如下：

4.2.1 預制梁支模

為了確保工程進度和與預制梁的美觀，采取了磚砌底模、成型側模組合的施工方法，在鋼筋混凝土強度大于2.5MPa 時，拆掉并移除側膜，以增加模板利用率。按照圖紙進行側模制作，為了保證工作的順利進行，模板使用手工可拆卸的鋁合金模具。底部模具由紅色瓷磚砌成，具體規格為240mm×150mm×115mm，隨后利用砂漿抹平。

4.2.2 梁體預應力張拉與封錨

鋼束張拉利用張拉力、伸長值雙控方法。首先將鋼束張拉至設計張拉力值的10%，記錄一次伸長值。其次，再次將鋼束張拉至設計張拉力值的20%，再次記錄一次伸長值，最后將鋼束張拉至設計應力，記錄最終伸長值。待鋼束張拉至設計應力時，需要測量兩端的引伸量，得出兩端引伸量相加后的數值，此數值最終結果需同設計引伸量保持一致，誤差許可范圍為±6%[6]。

在封錨之前，要切斷鋼絲絞線，切斷時必須采用磨削設備，禁止采用電弧焊割，鋼絞線切斷點與錨桿外側端部不應少于30mm。在切斷鋼絲絞線后，要進行錨穴鑿毛，鑿毛面積不得少于90%，深度不得低于5mm，不能有灰泥。封錨砼必須搗實、及時抹面、壓光、補水、保溫并在養護完成后進行防水處理，可在錨槽外面涂上防水涂料。

4.3 預制梁吊裝

4.3.1 吊點選擇

預制十字梁在橫梁兩點吊裝過程中，在縱向梁自重和預應力作用下會引起較大負彎矩，為此，本文經過周密的計算后，選擇縱梁兩點吊裝施工工藝。預制一字梁同樣采用兩點吊裝施工工藝，應將梁端、錨固點的中線位置設定為吊裝點位。

4.3.2 確定初始錨固力

在預應力預制梁的安裝過程中，首先要確定預應力錨固力，以確保預應力預制梁能夠在斜坡上直接進行加固。本文所選取的A 高速公路向K25+580-K25+5690一側坡體巖石層為中風化板巖石層，相關參數為：

預制梁、巖體摩擦系數=0.35

坡率為1:0.75-1:1.00

錨固角度=25°

梁體規格=5.5m×2.9m

自重=49kN

經計算后得出，在其余參數不變的前提下，1:1.00 坡率條件下，預應力預制梁的初始錨固力需要≥103.5kN，1:0.75 坡率條件下，預應力預制梁的初始錨固力需要≥192kN。

4.4 預制件背襯找平

為確保預應力預制梁結構同A 高速公路向K25+580-K25+5690 一側坡面緊密結合，在預制梁與坡面裂縫的封堵上，需要采用膨潤土混合水泥封堵方法。在3d-4d 后開展背襯灌漿施工。

基于本文所選取的施工項目特點，在預制梁背襯灌漿方式選擇上以重力式為主，需準備的材料為水、水泥、水玻璃、膨脹劑，每種材料的比例應為12:20:3:0.7。將調配好的漿液順著預制件預留注漿孔注入，在整個灌漿過程中需要觀察預制件作為是否存在漏漿等問題。若發生漏漿，應立刻停止灌漿操作并輔以封堵處理。待預制件背襯找平施工完畢后，應開展坡面錨索張拉、封錨等施工操作，以此來確保預制件背襯施工的密實性。

基于上述施工關鍵技術，141 片預制梁的吊裝時間被控制在2.5d 以內，采用4 名工人同時施工。預制件背襯找平時間控制在3.0d 以內，同樣應用了4 名施工工人。與現澆梁相比，上述施工工藝可極大提高預制梁的制作效率，降低預制梁人工成本。

5 結語

基于裝配式預應力錨索框架結構的受力特征，本文提出了較為詳盡的裝配式預應力錨索框架結構設計方法及流程，將此種設計流程應用在A 高速公路向K25+580-K25+5690 一側坡面防護施工中取得了較為顯著的施工效果。同時，本文依托于A 高速公路向K25+580-K25+5690 一側坡面防護施工項目，提出了完整的基于裝配式預應力錨索框架結構施工工藝，認為預制梁制作、預制梁吊裝、預制件背襯找平是整個施工工藝中的關鍵技術。