南沙河倒虹吸结构预应力混凝土技术和设计方法研究

2014-02-27马述江

水利规划与设计 2014年12期

关键词：张拉底板预应力

马述江

（河北省水利水电第二勘测设计研究院河北石家庄 050021）

南沙河倒虹吸结构预应力混凝土技术和设计方法研究

马述江

（河北省水利水电第二勘测设计研究院河北石家庄 050021）

本文介绍了南水北调中线工程南沙河倒虹吸结构预应力混凝土技术、仿真模型试验技术成果，总结了采用平面刚架有限元、平面应变有限元、三维有限元等方法综合分析预应力混凝土倒虹吸结构受力性能的设计成果，为大型预应力混凝土倒虹吸结构设计提供了科学依据。

倒虹吸预应力混凝土仿真模型试验有限元分析设计

引言

南水北调中线工程总干渠南沙河倒虹吸，位于沙河市西北高店村西，总长4335m，是河北省段规模最大的交叉建筑物之一。工程由南汊倒虹吸、中间明渠和北汊倒虹吸三大部分组成，其中南汊倒虹吸长1250m，中间明渠长2030m，北汊倒虹吸长1055m。倒虹吸管身为3孔一联，初步设计确定的单孔过水断面尺寸6.5×6.5m（高×宽），施工图设计阶段根据倒虹吸水力学计算，调整为6.6m×6.5m（高×宽）。

根据工程位置水文地质条件，确定倒虹吸顶部埋深为6.0m。经过初步计算分析，采用普通钢筋混凝土结构时存在结构混凝土壁厚大、难以同时满足多种工况下混凝土抗裂设计要求，不利于混凝土抵抗工程区地表水的结晶类硫酸盐型弱～强腐蚀。因此，在结构设计计算分析与仿真模型试验验证基础上，确定采用高强低松弛预应力钢绞线和曲线孔道真空辅助灌浆后张有粘结预应力混凝土技术。本文对该工程的科研及设计成果进行了简要总结。

1 南沙河倒虹吸预应力混凝土技术

1.1 预应力混凝土技术体系及配筋方式

通过综合分析后张有粘结和无粘结预应力混凝土技术的优缺点，考虑倒虹吸结构耐久和防腐蚀的重要性，确定倒虹吸结构采用后张有粘结预应力混凝土技术。

（1）倒虹吸结构断面设计

倒虹吸的结构断面的设计按如下步骤进行：

①按经验尺寸范围拟定截面尺寸。对于顶板厚度，可视倒虹吸顶板上部覆盖层厚度和河道水位情况，取其跨度的1/5～1/10。对于底板厚度，可取顶板厚度的1.0～1.3倍；坐落于压缩模量较小的硬基时取较小值，坐落于压缩模量较大的软基或者不均匀地基上时取较大值。对于边竖墙，可取与顶板相同的厚度。对于中竖墙厚度，可取边竖墙厚度的0.9～1.0倍。

②按照混凝土材料弹性平面有限元方法，计算各种正常使用工况下倒虹吸结构的截面应力。

③将倒虹吸结构在正常使用工况下的顶、底板截面最大拉应力控制在3～4MPa范围内，竖墙截面最大拉应力控制在4～5MPa范围内，即达到较优的结构断面尺寸。

（2）倒虹吸结构预应力钢筋的配置

① 对于拟定的倒虹吸结构断面，采用有限元方法，计算结构顶板、底板和竖墙在各种正常使用工况下的应力，分别绘制其受拉区包络图和

最大拉应力包络图。

② 沿着受拉区包络图走势选择预应力钢筋的线形。对预应力钢筋的线形进行合理简化，使之转化为便于设计计算的直线、圆弧线或抛物线及其组合形式作为设计配筋形式。

③ 根据最大拉应力对应工况，按照预应力等效荷载法，估算预应力钢筋的截面面积，进而拟定预应力钢筋数量。

④ 为了保证直线与曲线或多段曲线组合线形的预应力钢筋在各段之间连接平顺，直线连接段应与所连接的曲线段端点相切，多段曲线筋应通过调整各段的跨距、矢高来保证各段连接点切线角相等。

⑤ 对预应力钢筋配置间距和每束的根数进行协调，保证足够的交叉空间和锚固空间，保持结构在预应力作用下的受力平衡。

⑥ 针对设计配筋形式，计算预应力钢筋的有效预应力。根据倒虹吸结构有限单元划分情况，将预应力钢筋的有效预应力转化为有限元节点力，施加于倒虹吸结构计算模型。

⑦ 进行倒虹吸结构施工及正常使用阶段各工况下的截面应力计算分析，满足相应的混凝土拉应力控制要求后，即为最终的预应力钢筋配置。

图1 倒虹吸结构预应力钢筋布置

南沙河倒虹吸初步设计确定的结构断面及预应力配筋如图1所示，混凝土强度等级C40。

1.2 南沙河倒虹吸结构仿真模型试验

倒虹吸仿真模型试验的目的是检验预应力效果和倒虹吸的使用性能及其承载能力，检验有限元计算方法计算结果的合理性与可靠性，试验在初步设计结构断面尺寸和过水能力条件下进行。根据仿真模型相似理论，同时考虑模型最小断面尺寸应大于4倍的最大碎石粒径、模型浇筑成型的可行性、测试结果的精确性并兼顾试验设备能力等各方面因素，确定模型结构与原型结构的比例尺为1：5，模型长度为3.0m，断面尺寸按原型的1/5缩小。

模型采用与原型相同级配的混凝土，以连续级配5～20mm碎石配制，现浇成型，浇筑顺序与原型相同。模型普通钢筋采用直径为Φ4和Φ5的冷轧LL550级钢筋，经连续回火处理后，使其屈服强度和极限强度以及应力应变曲线接近于原型的II级热轧钢筋相应指标。钢筋直径和间距按原型中配筋根据模型比尺换算，并按钢筋与混凝土之间粘结性能等效的原则确定。预应力钢筋采用Φ5高强低松弛钢丝。顶板和底板预应力钢筋采用两端张拉方法，锚具为3孔镦头锚具。竖墙预应力筋采用一端张拉方法，上端采用2孔镦头锚具，下端采用钢锚板。建造完成的倒虹吸结构仿真模型如图2所示。

图2 建造完成的倒虹吸模型

倒虹吸承受的荷载有水压力、土压力和结构自重。根据模型设计相似原理，采用自行研制的大型单面压力水囊施加水压力和土压力；竖向水压力采用单腔水囊施加，侧向水压力采用四腔水囊形成的四级阶梯形分布荷载等效代替；侧向水平土压力采用五腔水囊形成的五级阶梯形分布荷载等效代替。竖向土压力为作用于模型顶板上表面的均匀压力，采用堆重法模拟。模型混凝土比重对结构初始受力状态的影响利用施加的预应力加以调整。

模型试验加载流程为：1）按底板、顶板、边墙、中墙的顺序张拉模型预应力筋束；2）施加边墙加载至1/2倒虹吸高度回填土荷载；3）施加边墙加载至倒虹吸管顶高程回填土荷载；4）施工完建期荷载；5）施加倒虹吸结构中孔过水荷载；6）施加倒虹吸结构边孔过水荷载；7）施加倒虹吸结构三孔过水与覆盖层荷载；8）倒

虹吸结构超载测试。

根据仿真模型试验测试结果与原型和模型三维有限元计算结果的对比分析，证明三者确定的倒虹吸结构应力分布是一致的；在各种预定工况下，倒虹吸结构顶板、底板、边侧墙和中隔墙的受力状态均满足设计要求，配置的预应力筋达到了预期效果。通过仿真模型试验，确定了超载情况下倒虹吸结构的承载能力，并据此，提出了需要进一步改进的结构设计建议。

2 南沙河倒虹吸结构设计计算分析

2.1 平面刚架有限元计算分析

对于倒虹吸结构在承载能力极限状态下的配筋计算，需要确定设计断面的内力（弯矩、剪力和轴力）。为此，采用ADINA7.5结构计算软件，取单位长度（1m）上的倒虹吸管结构为计算单元，将结构按底板、顶板、边墙和中墙离散为梁单元，底板下地基土及开挖断面土体离散为平面应力单元，提出了倒虹吸结构内力计算的平面钢架有限元方法。

为了验证倒虹吸结构内力计算结果的可靠性，首先将承载力极限状态下各工况的截面内力计算结果用材料力学公式转化为截面正应力，与采用三维有限元方法计算同条件下结构的截面应力进行了对比。结果表明，除某些工况下顶板、底板与竖墙交接节点处因内力计算假设节点位于结构截面形心交点而计算截面拉应力较大外，其它情况均具有良好的一致性及符合性。因此，两种计算方法所得结果可以相互印证，可以采用得到的结构截面内力进行结构配筋设计。

2.2 平面应变有限元计算分析

将倒虹吸结构简化为平面应变有限元进行截面正应力计算，具有简便、使用且结果相对可靠的特点，因此，根据南沙河渠道倒虹吸分段、水文条件及结构特点，选取倒虹吸南汊与北汊平管段、河堤段和出入口倾斜段作为典型控制节段分别进行结构的平面应变分析，作为倒虹吸结构断面初定与调整的计算依据。

2.3 三维有限元计算分析

（1）倒虹吸结构应力分布状态验证

在倒虹吸设计过程中，采用了三维有限元模型进行倒虹吸结构的应力分布状态验证计算。主要基于如下考虑：

① 倒虹吸顶板、底板和竖墙中预应力筋间距不同，预应力筋并不处于同一平面内。由于单筋预应力效果传递范围是一定的，需要通过三维模型才能真实反映这种预应力情况；

② 对于倒虹吸河床和河堤平直段，采用平面应变模型所得结果能够准确反映每节倒虹吸中部区段的应力分布状况，但在越靠近两端区段，结构的受力性能越接近于平面应力状态，平面应变模型的计算结果有较大的误差，而三维模型可以真实反映结构受力从平面应变向平面应力的过渡情况。

③ 对于倒虹吸进口和出口的斜直段，需要通过三维模型体现结构所处位置、承受内外荷载随高程的变化等。

（2）不均匀地质条件适应性分析与处理

根据工程地质情况及拟采取的地基处理方案，针对多种地质剖面建立了三维有限元模型，对不均匀地质条件下倒虹吸受力性能进行了计算分析。结果表明：地基不均匀对倒虹吸结构整体在正常使用阶段的受力状态具有较大影响，采用换填土方式改善地基均匀性对调整改善倒虹吸结构整体受力性能特别是底板受力状态具有显著作用，并据此提出了对倒虹吸坐落于不均匀地质条件的地基处理措施。

（3）预应力筋张拉施工工序的确定

采用三维有限元方法，以施工完建期倒虹吸结构受力状态为基准，对倒虹吸结构按底板→顶板→边墙→中墙顺序依次张拉各部位预应力钢筋进行了全过程三维有限元数值模拟计算，提出了以缩短工期、降低施工费用为目标的南沙河倒虹吸结构预应力筋的合理张拉施工顺序：先张拉底板预应力钢筋，然后埋土回填至1/2倒虹吸高度；在埋土回填施工同期，进行边墙预应力钢筋的张拉；然后回填埋土至倒虹吸高度，张拉顶板预应力钢筋，最后张拉中墙预应力钢筋，再回填上覆土至完建期。上述成果为施工组织设计提供了重要依据。