大直徑水泥倉筒預應力的結構比較與選擇

      隨著水泥生產線產能的不斷提高，筒倉直徑逐步增大，普通鋼筋混凝土結構已難以滿足承載力和裂縫控制要求，施工時放置鋼筋也極為困難，且難保證施工質量。故參考國外經驗，開始在大直徑混凝土筒倉中采用了后張有粘結預應力技術，并取得成功，如1986建造的珠江水泥廠熟料庫、1997年建造的京陽水泥廠熟料庫等，為預應力技術在大直徑混凝土筒倉中的應用開創(chuàng)了先河。近年來，無粘結預應力技術越來越成熟，在其它結構形式中得到了廣泛的應用，成功的經驗也越來越多。其引用到大型筒倉結構設計中，不僅能有效地抑制裂縫的產生，而且取得了較好的經濟效益。

大型預應力筒倉的受力特點

      大直徑筒倉結構中，在儲料水平壓力作用下，倉壁受到很大的環(huán)向拉力，這將使倉壁產生裂紋。采用預應力技術的鋼筋混凝土筒倉，充分利用混凝土的抗壓性能和高強鋼絲、鋼絞線的抗拉性能，對倉壁施加預應力，用高強度鋼材來承擔倉壁的環(huán)向拉力，防止倉壁開裂，達到減小倉壁厚度，節(jié)省混凝土和鋼材的目的。預應力筒倉結構見圖1。

預應力體系比較分析

     本文討論的后張預應力體系是將鋼絞線作為預應力筋，兩端采用夾片式錯具的預應力技術，主要分為有粘結預應力體系和無粘結預應力體系。這兩種體系設計理論與工藝技術成熟，規(guī)范標準齊全，材料設備質量穩(wěn)定，在我國土木工程界均有大量的成功實踐經驗。根據結構的重要性、使用要求、外部環(huán)境等因素，它們的適用范圍略有不同。2.1 技術性能有粘結預應力體系與無粘結預應力體系的本質區(qū)別在于混凝土結構受力機理及變形機理不同。有粘結預應力孔道灌漿后預應力筋與結構粘結形成整體，形成自應力結構，而無粘結預應力筋在結構中可永久滑動形成永久的外部應力。2.1.1預應力損失筒倉倉壁為軸拉構件，不論采用哪一種預應力體系預應力損失一樣包含張拉錨具變形、預應力鋼筋內損失、預應力鋼筋摩擦、預應力鋼筋應力松弛損失及混凝土收縮和徐變損失等，因此倉壁承載力與抗裂計算中采用兩種預應力體系的配筋計算方法是一致的，在不考慮摩擦損失的前提下，其配筋量應相當。但無粘結預應力混凝土的主要特點之一是無粘結筋在張拉時，可在塑料外套內自由滑動，其摩擦系數μ=0.09。而有粘結預應力混凝土內預應力筋與波紋管壁間的摩擦系數μ=0.25。有粘結預應力筋摩擦損失明顯大于無粘結預應力筋，要獲得相等的有效預應力則需要更多的張拉壁柱與更多量的預應力筋。2.1.2儲料溫度影響在框架預應力結構中，鋼絞線在張拉完成后，除由于鋼筋應力松弛以及混凝土收縮、徐變引起的預應力損失外,預應力還受溫度變化的影響,并且預應力與環(huán)境溫度(或者混凝土溫度)問有著一定的關系。水泥工業(yè)的筒倉主要用來存儲生料、熟料和水泥等物料，它們的入庫溫度一般在70~110度之間，不論是有粘結筋還是無粘結筋都被布置在倉壁外側，考慮儲料濕度折減后，倉壁外測溫度不會超過60度。在此溫度下溫度變化對有粘結混凝土與無粘結混凝土的影響是相同的。因此在設計和使用階段，有粘結混凝土和無粘結混凝土可以考慮相同的溫度應力。2.1.3 耐久性無粘結預應力筋的涂料層具有良好的化學穩(wěn)定性，對周圍材料無侵蝕作用，不透水，抗腐蝕性能強，在規(guī)定的溫度范圍內高溫不流淌、低溫不變脆，并具有一定的韌性。因此當構件開裂時，無粘結預應力筋不易發(fā)生銹蝕。而有粘結預應力筋直接和混凝土接觸，相對與無粘結混凝土結構，更容易發(fā)生預應力筋的銹蝕。從這個意義上來講，無粘結混凝土結構更能提高構件的耐久性。2.1.4抗震性能長期以來國際上對預應力混凝土在地震區(qū)的應用一直存在較大的分歧口。在地震荷載作用下，從受力的角度看無粘結預應力筋一直處于受拉狀態(tài)，不會像有粘結筋可能轉變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，其應力幅較小，承受大幅度位移時可將局部變形均勻分布于預應力筋全長，使預應力筋保持在彈性階段。從變形的角度看，由于無粘結預應力保持在彈性階段，往往達不到屈服強度，所以結構有較好的變形恢復能力。從震后修復情況看，有粘結預應力混凝土由于靠局部破壞來消耗地震能量，因此震后很難恢復其原有性能，而無粘結預應力混凝土只要修補局部的混凝土即可基本恢復結構性能。從耗能機理角度來看，無粘結預應力混凝土是通過預應力筋與通道的摩擦來消耗能量，而有粘結預應力混凝土結構由于預應力筋與混凝土的粘結作用，應力筋應變；較大，可以通過局部破壞來消耗地震能量。因此在選取無粘結預應力混凝土結構時，針對其耗能能力弱的特點，可在無粘結預應力結構中配置一定數量的普通鋼筋，就可有效地改善裂縫的分布特點。

預應力體系比較分析

2.2施工工藝水泥筒倉的倉壁結構一般采用滑模施工工藝，預應力工藝主要分為滑模階段的安裝與混凝土成形后的張拉兩大部分。無粘結預應力筋可在倉壁滑模施工時直接放入鋼筋骨架內，混凝土成形后采用小型千斤頂單根張拉，根數布置靈活，工序簡單，施工方便，質量容易得到保證。有粘結預應力筋需要編束;在制作混凝土構件時需在混凝土內預埋金屬(或塑料)波紋管；待混凝土達到一定強度后，在波紋管內穿索；待混凝土達到設計強度后，在混凝土構件上成索張拉預應力束，并用錨具錨固；最后向波紋管道內壓力灌漿。張拉灌漿后，預應力筋和結構形成整體，共同受力，對兩端錨具的性能要求相對較低。但工藝過程較復雜，施工難度較大，質量控制難度較高，主要集中于：澆筑混凝土時容易導致波紋管孔道偏位、滲漿現象;張拉后需要灌漿，而高空預應力孔道的灌漿對灌漿設備要求高，灌漿質量也不容易保證；有粘結預應力筋要采用大型千斤頂整束張拉，錨固要求高、安全風險高；滑模施工時只能先埋設孔道，而后穿鋼絞線的難度較大。2.3經濟性從表1中可以看出，采用無粘結預應力混凝土施工可以節(jié)省機具，降低人工消耗。從工程造價方面考慮，無粘結預應力體系較有粘結預應力體系成本節(jié)約20%左右。并且節(jié)省工期為工程帶來的潛在的經濟效益并不能簡單用數字來衡量。雖然看起來有粘結預應力筋用量相對大的工程設備攤銷成本會有所降低，而往往此時該工程中的預應力規(guī)格較多，需要更多的張拉設備型號與數量，故對于需要新購設備的工程，尤其是海外工程等，這是成本增加的關鍵因素。

結束語

      無粘結混凝土體系相對于有粘結混凝土體系在耐久性和預應力損失方面有技術優(yōu)勢，在抗震性方面處于劣勢，但通過在無粘結混凝土體系中配置一定數量的普通鋼筋，可改變其抗震性能。

表1為粘結與無粘結體系材料、施工機具及人工消耗對比：

無粘結預應力體系在施工工藝及工程經濟性等方面明顯優(yōu)于有粘結預應力體系。

      預應力筒倉設計中遇到的首要問題是體系的選擇。在滿足結構使用性能的前提下，工程人員應選擇施工工藝簡單、更加經濟的預應力體系，這也正是當前筒倉設計與應用中無粘結體系逐步取代有粘結體系的內在原因。