大直径水泥仓筒预应力的结构比较与选择

      随着水泥生产线产能的不断提高，筒仓直径逐步增大，普通钢筋混凝土结构已难以满足承载力和裂缝控制要求，施工时放置钢筋也极为困难，且难保证施工质量。故参考国外经验，开始在大直径混凝土筒仓中采用了后张有粘结预应力技术，并取得成功，如1986建造的珠江水泥厂熟料库、1997年建造的京阳水泥厂熟料库等，为预应力技术在大直径混凝土筒仓中的应用开创了先河。近年来，无粘结预应力技术越来越成熟，在其它结构形式中得到了广泛的应用，成功的经验也越来越多。其引用到大型筒仓结构设计中，不仅能有效地抑制裂缝的产生，而且取得了较好的经济效益。

大型预应力筒仓的受力特点

      大直径筒仓结构中，在储料水平压力作用下，仓壁受到很大的环向拉力，这将使仓壁产生裂纹。采用预应力技术的钢筋混凝土筒仓，充分利用混凝土的抗压性能和高强钢丝、钢绞线的抗拉性能，对仓壁施加预应力，用高强度钢材来承担仓壁的环向拉力，防止仓壁开裂，达到减小仓壁厚度，节省混凝土和钢材的目的。预应力筒仓结构见图1。

预应力体系比较分析

     本文讨论的后张预应力体系是将钢绞线作为预应力筋，两端采用夹片式错具的预应力技术，主要分为有粘结预应力体系和无粘结预应力体系。这两种体系设计理论与工艺技术成熟，规范标准齐全，材料设备质量稳定，在我国土木工程界均有大量的成功实践经验。根据结构的重要性、使用要求、外部环境等因素，它们的适用范围略有不同。2.1 技术性能有粘结预应力体系与无粘结预应力体系的本质区别在于混凝土结构受力机理及变形机理不同。有粘结预应力孔道灌浆后预应力筋与结构粘结形成整体，形成自应力结构，而无粘结预应力筋在结构中可永久滑动形成永久的外部应力。2.1.1预应力损失筒仓仓壁为轴拉构件，不论采用哪一种预应力体系预应力损失一样包含张拉锚具变形、预应力钢筋内损失、预应力钢筋摩擦、预应力钢筋应力松弛损失及混凝土收缩和徐变损失等，因此仓壁承载力与抗裂计算中采用两种预应力体系的配筋计算方法是一致的，在不考虑摩擦损失的前提下，其配筋量应相当。但无粘结预应力混凝土的主要特点之一是无粘结筋在张拉时，可在塑料外套内自由滑动，其摩擦系数μ=0.09。而有粘结预应力混凝土内预应力筋与波纹管壁间的摩擦系数μ=0.25。有粘结预应力筋摩擦损失明显大于无粘结预应力筋，要获得相等的有效预应力则需要更多的张拉壁柱与更多量的预应力筋。2.1.2储料温度影响在框架预应力结构中，钢绞线在张拉完成后，除由于钢筋应力松弛以及混凝土收缩、徐变引起的预应力损失外,预应力还受温度变化的影响,并且预应力与环境温度(或者混凝土温度)问有着一定的关系。水泥工业的筒仓主要用来存储生料、熟料和水泥等物料，它们的入库温度一般在70~110度之间，不论是有粘结筋还是无粘结筋都被布置在仓壁外侧，考虑储料湿度折减后，仓壁外测温度不会超过60度。在此温度下温度变化对有粘结混凝土与无粘结混凝土的影响是相同的。因此在设计和使用阶段，有粘结混凝土和无粘结混凝土可以考虑相同的温度应力。2.1.3 耐久性无粘结预应力筋的涂料层具有良好的化学稳定性，对周围材料无侵蚀作用，不透水，抗腐蚀性能强，在规定的温度范围内高温不流淌、低温不变脆，并具有一定的韧性。因此当构件开裂时，无粘结预应力筋不易发生锈蚀。而有粘结预应力筋直接和混凝土接触，相对与无粘结混凝土结构，更容易发生预应力筋的锈蚀。从这个意义上来讲，无粘结混凝土结构更能提高构件的耐久性。2.1.4抗震性能长期以来国际上对预应力混凝土在地震区的应用一直存在较大的分歧口。在地震荷载作用下，从受力的角度看无粘结预应力筋一直处于受拉状态，不会像有粘结筋可能转变为受压状态，其应力幅较小，承受大幅度位移时可将局部变形均匀分布于预应力筋全长，使预应力筋保持在弹性阶段。从变形的角度看，由于无粘结预应力保持在弹性阶段，往往达不到屈服强度，所以结构有较好的变形恢复能力。从震后修复情况看，有粘结预应力混凝土由于靠局部破坏来消耗地震能量，因此震后很难恢复其原有性能，而无粘结预应力混凝土只要修补局部的混凝土即可基本恢复结构性能。从耗能机理角度来看，无粘结预应力混凝土是通过预应力筋与通道的摩擦来消耗能量，而有粘结预应力混凝土结构由于预应力筋与混凝土的粘结作用，应力筋应变；较大，可以通过局部破坏来消耗地震能量。因此在选取无粘结预应力混凝土结构时，针对其耗能能力弱的特点，可在无粘结预应力结构中配置一定数量的普通钢筋，就可有效地改善裂缝的分布特点。

预应力体系比较分析

2.2施工工艺水泥筒仓的仓壁结构一般采用滑模施工工艺，预应力工艺主要分为滑模阶段的安装与混凝土成形后的张拉两大部分。无粘结预应力筋可在仓壁滑模施工时直接放入钢筋骨架内，混凝土成形后采用小型千斤顶单根张拉，根数布置灵活，工序简单，施工方便，质量容易得到保证。有粘结预应力筋需要编束;在制作混凝土构件时需在混凝土内预埋金属(或塑料)波纹管；待混凝土达到一定强度后，在波纹管内穿索；待混凝土达到设计强度后，在混凝土构件上成索张拉预应力束，并用锚具锚固；最后向波纹管道内压力灌浆。张拉灌浆后，预应力筋和结构形成整体，共同受力，对两端锚具的性能要求相对较低。但工艺过程较复杂，施工难度较大，质量控制难度较高，主要集中于：浇筑混凝土时容易导致波纹管孔道偏位、渗浆现象;张拉后需要灌浆，而高空预应力孔道的灌浆对灌浆设备要求高，灌浆质量也不容易保证；有粘结预应力筋要采用大型千斤顶整束张拉，锚固要求高、安全风险高；滑模施工时只能先埋设孔道，而后穿钢绞线的难度较大。2.3经济性从表1中可以看出，采用无粘结预应力混凝土施工可以节省机具，降低人工消耗。从工程造价方面考虑，无粘结预应力体系较有粘结预应力体系成本节约20%左右。并且节省工期为工程带来的潜在的经济效益并不能简单用数字来衡量。虽然看起来有粘结预应力筋用量相对大的工程设备摊销成本会有所降低，而往往此时该工程中的预应力规格较多，需要更多的张拉设备型号与数量，故对于需要新购设备的工程，尤其是海外工程等，这是成本增加的关键因素。

结束语

      无粘结混凝土体系相对于有粘结混凝土体系在耐久性和预应力损失方面有技术优势，在抗震性方面处于劣势，但通过在无粘结混凝土体系中配置一定数量的普通钢筋，可改变其抗震性能。

表1为粘结与无粘结体系材料、施工机具及人工消耗对比：

无粘结预应力体系在施工工艺及工程经济性等方面明显优于有粘结预应力体系。

      预应力筒仓设计中遇到的首要问题是体系的选择。在满足结构使用性能的前提下，工程人员应选择施工工艺简单、更加经济的预应力体系，这也正是当前筒仓设计与应用中无粘结体系逐步取代有粘结体系的内在原因。