渡槽預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置優(yōu)化研究

翟利軍，吉曉紅

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州450003）

渡槽工程是大型引調(diào)水工程中技術(shù)難度最復(fù)雜的控制性工程之一，本渡槽采用雙線四槽布置型式，槽底比降1/4 600，渡槽上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支三向預(yù)應(yīng)力混凝土U 形槽。渡槽下部結(jié)構(gòu)為空心墩、混凝土灌注樁基礎(chǔ)，兩槽共用一墩

渡槽預(yù)制施工中，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索張拉進(jìn)行了錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，縱向、環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉錨固后，預(yù)應(yīng)力損失值明顯高于設(shè)計(jì)值，根據(jù)渡槽槽身預(yù)應(yīng)力損失后的剩余有效預(yù)應(yīng)力，采用ANSYS 軟件進(jìn)行了三維有限元計(jì)算分析，結(jié)果表明渡槽底板迎水面出現(xiàn)了大于1 MPa 的拉應(yīng)力，不滿足相關(guān)要求［1］。本文在不改動(dòng)原渡槽設(shè)計(jì)體型的情況下，根據(jù)原設(shè)計(jì)渡槽拉應(yīng)力分布特性，針對(duì)性地?cái)M定多個(gè)環(huán)向和縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)比分析，確定了經(jīng)濟(jì)可行的預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置優(yōu)化方案，經(jīng)有限元計(jì)算復(fù)核及通水后安全監(jiān)測(cè)資料分析，渡槽能夠滿足應(yīng)力和變形的各項(xiàng)要求。

1 原設(shè)計(jì)渡槽結(jié)構(gòu)布置及應(yīng)力狀態(tài)

1.1 原設(shè)計(jì)渡槽結(jié)構(gòu)布置

渡槽原設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土U 形槽，單槽槽身斷面凈寬8.0 m，凈高7.4 m，槽跨中總高8.3 m，槽端部總高9.2 m。頂部每隔2.5 m 設(shè)一0.5 m×0.5 m 的鋼筋混凝土拉桿。槽身壁厚：0.35～0.9 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50。單槽下部縱向配21 束8Φs15.2 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，上部每側(cè)縱向配3 束5Фs15.2 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線；單槽環(huán)向每0.42 m 布置1 束5Фs15.2有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單槽環(huán)向共配71束。

渡槽槽身采用30 m 跨U 型斷面、簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，單片槽縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線共27孔，其中槽身底部21孔為8Φs15.2，采用圓形錨具，圓形波紋管；槽身上部6 孔為5Φs15.2，采用扁形錨具，扁形波紋管；環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線共71 孔，環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線均為5Φs15.2，采用扁形錨具，扁形波紋管；縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線線型為直線，環(huán)向?yàn)橹本€+半圓+直線，預(yù)應(yīng)力鋼絞線均采用兩端張拉，全部為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方式［2］。具體布置見(jiàn)圖1所示。

圖1 原設(shè)計(jì)槽身預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置圖（單位：mm）Fig.1 Layout of prestressed steel strand of original design aqueduct body

1.2 計(jì)算原理及計(jì)算模型

本次計(jì)算的數(shù)值分析方法采用三維有限元法，模型取一個(gè)整跨，基本上采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，考慮了預(yù)應(yīng)力鋼絞線的實(shí)際作用位置，坐標(biāo)系采用右手系，x軸方向?yàn)榇怪庇诙刹圯S向，y軸方向?yàn)楦叱谭较蛳蛏蠟檎瑉軸方向?yàn)槎刹垌標(biāo)鞣较颉ＤＰ凸财史謫卧?15 488 個(gè)，節(jié)點(diǎn)134 811 個(gè)。縱向、環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用采用等效荷載法進(jìn)行模擬，本渡槽采用后張法施工，計(jì)算考慮的預(yù)應(yīng)力損失包括張拉端錨具變形和鋼絞線內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl1、預(yù)應(yīng)力鋼絞線與孔道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2、預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl4、混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5。其中張拉端錨具變形和鋼絞線內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。計(jì)算模型及預(yù)應(yīng)力鋼絞線作用位置見(jiàn)圖2和圖3所示。

圖2 渡槽網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Grid section of aqueduct

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置圖Fig.3 Layout of steel strand

1.3 原設(shè)計(jì)渡槽應(yīng)力狀態(tài)

經(jīng)各工況計(jì)算分析，溫升工況下，渡槽內(nèi)壁的環(huán)向均存在受拉區(qū)，設(shè)計(jì)水位和滿槽水位工況相比，拉應(yīng)力分布范圍及極值都有所減小，最大環(huán)向拉應(yīng)力從約為0.29 MPa 降至0.17 MPa，但縱向拉應(yīng)力的分布范圍和極值都有所增大，縱向最大拉應(yīng)力從0.37 MPa 增大至0.51 MPa。滿槽水位環(huán)向拉應(yīng)力分布見(jiàn)圖4，縱向拉應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。

圖4 渡槽內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力圖（溫升，滿槽水深）Fig.4 Circumferential stress diagram of aqueduct inner wall（temperature rise，full depth）

圖5 渡槽內(nèi)壁縱向應(yīng)力圖（溫升，滿槽水深）Fig.5 Longitudinal stress diagram of aqueduct inner wall（temperature rise，full depth）

溫降工況下，滿槽水位和設(shè)計(jì)水位下槽身內(nèi)壁在環(huán)向和縱向均受壓，槽身外壁在底部環(huán)向受拉，最大拉應(yīng)力為1.11 MPa和1.26 MPa，槽身外壁在變截面段的直線段部分縱向受拉，最大拉應(yīng)力為0.70和0.88 MPa。

各工況下，在槽身的端頭底部，均存在較大的橫向拉應(yīng)力，最大值為3.42 MPa，發(fā)生在設(shè)計(jì)水位組合溫降工況下，不能滿足槽身混凝土的抗裂要求。槽身壓應(yīng)力的最大值約在-8.0 MPa左右，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置優(yōu)化方案分析

近年專門研究渡槽預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置優(yōu)化的文章不多［3-7］，本文根據(jù)原設(shè)計(jì)渡槽結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，槽身內(nèi)壁環(huán)向和縱向應(yīng)力均不滿足技術(shù)規(guī)定的要求，在盡量不改動(dòng)原設(shè)計(jì)體型的情況下，擬定多個(gè)針對(duì)性的布置優(yōu)化方案，考慮在環(huán)向和縱向優(yōu)化預(yù)應(yīng)力錨索的數(shù)量及位置，達(dá)到滿足槽身內(nèi)壁不出現(xiàn)拉應(yīng)力的要求。

考慮原設(shè)計(jì)縱向拉應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力的出現(xiàn)位置均在端頭變截面處，所以對(duì)在端頭一定范圍內(nèi)的環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線加密布置，同時(shí)調(diào)整縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋線的位置和數(shù)量，增加槽壁直線段和側(cè)面圓弧段縱向扁錨，將底部弧線布置的圓錨上抬，經(jīng)過(guò)21種優(yōu)化方案的有限元計(jì)算分析比較，可得如下規(guī)律。

（1）加密環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線可以解決環(huán)向拉應(yīng)力問(wèn)題，但是對(duì)渡槽縱向受力不利，所以需要同時(shí)協(xié)調(diào)縱向和環(huán)向的預(yù)應(yīng)力布置。

（2）對(duì)設(shè)計(jì)水位運(yùn)行時(shí)，相對(duì)于滿槽水位而言，由于水壓力對(duì)槽身內(nèi)壁的受壓作用減小，所以設(shè)計(jì)水位和溫升工況組合后的受力狀態(tài)更不利。

（3）由于原設(shè)計(jì)在槽身內(nèi)壁的縱向和環(huán)向的受拉區(qū)域均位于槽身直線段與圓弧段的交界附近，縱向位于端頭變截面處附近，所以在端頭一定范圍內(nèi)加密環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋，在直線與圓弧段交界附近加密縱向預(yù)應(yīng)力筋，可以解決其受拉問(wèn)題。

（4）原設(shè)計(jì)槽底縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線余度較大，將弧線段布置的預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)稱減少4 束，直線段布置的預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)稱減少2束，渡槽仍能滿足槽身內(nèi)外壁的受力要求。

最終的推薦方案為端頭部位約6.5 m 范圍內(nèi)對(duì)環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線加密至約每米3 束，分別在槽壁的直線段與圓弧段增加縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，具體為渡槽端頭2.83 m 范圍內(nèi)環(huán)向扁錨加密為360 mm 間距，中間間距為450 mm。縱向下部圓錨角度擴(kuò)大為112度，下層為8根8Φ15.2圓錨，上層為9根8Φ15.2圓錨和2根6Φ15.2圓錨，直墻段最上端布置1根6Φ15.2圓錨，其余4根6Φ15.2圓錨向圓弧段移動(dòng)［8，9］，詳見(jiàn)圖6。

圖6 優(yōu)化后槽身預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置圖（單位：mm）Fig.6 Layout of prestressed steel strand of aqueduct body after optimization

經(jīng)過(guò)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行各工況有限元計(jì)算分析，槽身內(nèi)壁的環(huán)向和縱向均受壓，沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，環(huán)向和縱向的壓應(yīng)力極值分別為-0.03 和-0.14 MPa，壓應(yīng)力特別是環(huán)向壓應(yīng)力已經(jīng)接近受拉的邊緣，基本沒(méi)有再減少預(yù)應(yīng)力錨索的空間。

3 安全監(jiān)測(cè)資料分析

渡槽采用最終確定的預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置優(yōu)化方案施工［10］，在現(xiàn)場(chǎng)施工和通水期間每榀槽分別在跨中、1/4跨、1/8跨位置布置了監(jiān)測(cè)斷面，槽身監(jiān)測(cè)儀器主要有撓度監(jiān)測(cè)、錨索測(cè)力計(jì)、鋼筋計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)等。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，渡槽跨中通水前各部位測(cè)值基本表現(xiàn)為壓應(yīng)力，隨著水位的增加，槽身鋼筋應(yīng)力的變化趨勢(shì)為除槽頂兩側(cè)部位的縱向鋼筋壓應(yīng)力小幅增加外，其他部位的鋼筋應(yīng)力均有不同程度的減小，部分混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)特征值見(jiàn)表1所示。渡槽1/4 跨各測(cè)點(diǎn)的混凝土的應(yīng)力通水前均為壓應(yīng)力，隨著水位的增加，鋼筋應(yīng)力變化較小，應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力小幅減小或拉應(yīng)力小幅增加，混凝土應(yīng)力變化趨勢(shì)與鋼筋計(jì)應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致。渡槽1/8 跨混凝土應(yīng)力通水前除部分槽底外壁混凝土承受較小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力較小外，其他各部位測(cè)值均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。隨著水位的增加，槽身直線段、槽底外壁鋼筋應(yīng)力基本表現(xiàn)為壓應(yīng)力減小，其他部位表現(xiàn)為壓應(yīng)力增大，總體變幅較小。槽身端部通水前大部位鋼筋應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，槽底內(nèi)外壁環(huán)向鋼筋計(jì)有較小拉應(yīng)力，混凝土應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力。隨著水位的增加，基座底部鋼筋應(yīng)力微量減小，其他部位鋼筋應(yīng)力有所增大，基座底部壓應(yīng)力最小。混凝土應(yīng)力各部位變化趨勢(shì)與鋼筋計(jì)應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致。

表1 跨中斷面混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)特征值 MPaTab.1 Characteristic value of concrete stress monitoring

圖7為跨中斷面渡槽內(nèi)壁混凝土應(yīng)力典型測(cè)值過(guò)程線，監(jiān)測(cè)時(shí)間4 a，上面為混凝土應(yīng)力變化曲線，下面為相應(yīng)的環(huán)境溫度變化曲線，由圖可見(jiàn)運(yùn)行期間渡槽內(nèi)壁混凝土均為受壓狀態(tài)。另外，錨索測(cè)力計(jì)在通水期間運(yùn)行良好，根據(jù)錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)成果，錨索預(yù)應(yīng)力通水后縱向預(yù)應(yīng)力值有所減小，部分環(huán)向預(yù)應(yīng)力略有增大，滿足各項(xiàng)規(guī)定。

圖7 混凝土應(yīng)力測(cè)值過(guò)程線Fig.7 Concrete stress measurement process line

4 結(jié) 論

（1）原渡槽設(shè)計(jì)方案在實(shí)際施工中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，縱向、環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉錨固后，預(yù)應(yīng)力損失值明顯高于設(shè)計(jì)值，采用三維有限元計(jì)算分析結(jié)果表明渡槽迎水面出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿槽溫升工況下槽身端頭變截面處最大環(huán)向拉應(yīng)力為0.29 MPa，最大縱向拉應(yīng)力為0.37 MPa。設(shè)計(jì)水位溫升工況下最大環(huán)向拉應(yīng)力0.17 MPa，縱向拉應(yīng)力0.51 MPa。槽身外壁在底部環(huán)向受拉，位于槽身底部變截面和端肋的交界處，在槽身的端頭底部，存在最大值為3.42 MPa的橫向拉應(yīng)力。

（2）在不改變?cè)刹墼O(shè)計(jì)體型的前提下，通過(guò)優(yōu)化環(huán)向和縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置可以完全消除內(nèi)壁正截面拉應(yīng)力，底部縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線部分上移，加大底部圓弧段圓錨布置的包角，兩側(cè)槽壁每側(cè)增加兩束圓錨。渡槽端部環(huán)向扁錨加密為360 mm間距，其余間距調(diào)整為450 mm，總體增加工程量較少。

（3）采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置優(yōu)化方案施工后，從槽身各斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看渡槽內(nèi)壁混凝土應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，渡槽外壁局部出現(xiàn)較小拉應(yīng)力，錨索預(yù)應(yīng)力通水后縱向預(yù)應(yīng)力值有所減小，部分環(huán)向預(yù)應(yīng)力略有增大，均滿足各項(xiàng)規(guī)定。渡槽工作狀態(tài)良好，保證了渡槽的質(zhì)量和安全，為類似工程提供了參考。□