王 倩 ，鞠 曄 ，高藝馨

（1.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130000；2.水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

0 引言

吉林省中部城市引松供水工程（以下簡稱“中部供水”工程）輸水總干線局部段內(nèi)水壓力0.5～0.55 MPa，覆土深度較淺7～18 m，成洞條件極差，銜接4段建筑物的隧洞洞徑5.1 m。

在該段建筑物選型設計上，為了避免雙管和單洞交替出現(xiàn)的情況，需選用直徑5.1 m的管道，只有現(xiàn)澆預應力涵具備條件，最終確定采用現(xiàn)澆預應力涵方案。主要結(jié)論為：

1）直徑5.1 m的PCCP管對中部供水工程來說存在如下主要問題。

①采用φ5.1 m大口徑PCCP管在我國尚屬首例，可能會出現(xiàn)許多未可預料的技術(shù)問題。

②運輸PCCP的大型專用設備，目前還主要依賴進口，如果某一環(huán)節(jié)脫節(jié)，可能影響工程的如期完成。

2）在東深供水改造工程中，成功采用了2根現(xiàn)澆無粘結(jié)預應力混凝土薄壁圓涵，單根直徑4.8 m。最大內(nèi)壓0.3 MPa，最大覆土6 m。

參照東深供水改造工程成功經(jīng)驗，該工程采用內(nèi)圓外城門洞型式的無粘結(jié)預應力圓涵。

1 現(xiàn)澆預應力涵結(jié)構(gòu)布置

1.1 環(huán)形預應力作用機理

環(huán)形預應力技術(shù)是通過張拉環(huán)形預應力鋼絞線束，對圓涵混凝土施加預壓應力的，曲線預應力鋼絞線束在預應力形成機理上與直線預應力鋼絞線束有所不同，直線預應力鋼絞線束主要靠錨頭擠壓構(gòu)件端部，借此向內(nèi)傳遞內(nèi)力；而環(huán)形預應力鋼絞線束則主要通過預應力鋼絞線束張拉變形擠壓孔道壁，使涵體混凝土截面內(nèi)形成預壓應力。

取平面曲線預應力鋼絞線束微段分離體如圖1所示：

圖1 環(huán)形預應力作用機理示意圖

根據(jù)靜力平衡方程，向微段曲率中心O取矩，有

由摩擦原理，張拉過程微段摩擦力，有

向微段中心法向投影并略去高階微量得

式中：μ0為預應力鋼絞線束與孔道間的摩擦系數(shù)；f為預應力鋼絞線束與孔道間的摩擦力集度；p為預應力鋼絞線束與孔道間的壓力集度；T為計算截面處預應力鋼絞線束張拉力。

由于環(huán)形預應力鋼絞線束與孔道壁之間的摩擦引起的預應力損失在全部預應力損失中所占的比例相對較大，因此在進行結(jié)構(gòu)計算時不僅要考慮預應力鋼絞線束對孔道的徑向擠壓力，還應考慮鋼絞線束張拉和錨固時對孔道的切向拖拽力。

1.2 鋼絞線有效張拉力的計算

預應力鋼絞線采用后張無粘結(jié)施工方法，其預應力損失包括錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預應力損失σl1、預應力鋼絞線與孔道壁之間摩擦引起的預應力損失σl2、預應力筋應力松弛引起的預應力損失Sl4、混凝土收縮和徐變引起的預應力損失Sl5，以及預應力鋼絞線分批張拉時，后批張拉預應力鋼絞線所產(chǎn)生的混凝土彈性壓縮（或伸長），對先批張拉預應力鋼絞線所造成的預應力損失Sl6（通過分批錯開張拉等措施，減少該項損失，Sl6暫不考慮）。

后張法壓力涵道預應力鋼絞線張拉力，在混凝土預壓前的損失，即第一批損失為：

混凝土預壓后的損失，即第二批損失為：

預應力總損失為：

第一批預應力損失后，預應力鋼絞線的有效預應力為：

預應力鋼絞線的長期有效預應力為：

現(xiàn)對應圓心角θ=370°/2（對錨，兩側(cè)同步張拉），故損失計算范圍為0～185°，計算結(jié)果見表1。

2 有限元計算

2.1 計算參數(shù)

2.1.1 材料參數(shù)

材料一：鋼絞線Es=1.95e5MPa，泊松比0.3，線膨脹系數(shù)α=2e-5。

材料二：混凝土Ec=3.25e4MPa，泊松比0.167。

材料三：回填土。

表1 預應力損失計算表 MPa

2.1.2 預應力模擬

采用降溫法模擬預應力。

2.2 荷載及工況組合

1）結(jié)構(gòu)自重。涵體混凝土重度25 kN/m3。

2）滿涵水重。運行期內(nèi)水壓力4段涵體分別采用 55，55，50，50 m 進行計算。

3）填土壓力。

4）外水壓力。根據(jù)各斷面地下水位線確定外水壓力水頭值。

針對不同工況對應的荷載組合見表2。

表2 不同工況下的荷載組合

2.3 計算模型及結(jié)果分析

2.3.1 計算模型

假定：

1）圓涵處于平面應變狀態(tài)。

2）常規(guī)鋼筋和預應力鋼絞線束與混凝土之間不發(fā)生滑移。

3）計算中考慮鋼筋存在的因素，鋼筋混凝土折算彈性模量，按下式計算：

Er=Ec[1+μ（Es-Ec）/Ec]

式中：Er——鋼筋混凝土折算彈性模量；Ec——混凝土彈性模量；Es——鋼筋彈性模量；μ——配筋率。

采用有限元軟件對預應力鋼絞線和混凝土單元進行有限元網(wǎng)格劃分，涵壁混凝土網(wǎng)格沿厚度分3層（鋼絞線束外1層，鋼絞線束內(nèi)2層），各層均按5°圓心角劃分單元。

2.3.2 計算結(jié)果

圓涵周邊應力計算結(jié)果見表3所示。

表3 計算成果表

通過對各種工況計算得出，圓涵周邊沒有出現(xiàn)拉應力。最大壓應力4.53～9.74 MPa，C40混凝土的抗壓強度設計值19.1 MPa，安全系數(shù)為1.96～4.1，SL191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中規(guī)定，1級水工建筑物，預應力混凝土結(jié)構(gòu)基本組合下承載力安全系數(shù)K=1.35，偶然組合下承載力安全系數(shù)K=1.15，滿足結(jié)構(gòu)要求。整體模型中錨具槽附近出現(xiàn)拉應力，最大拉應力1.38～2.53 MPa，施工工況及試水工況超過混凝土抗拉強度，但因錨槽位于圓環(huán)斷面之外，對涵體安全使用的影響較小，采取加大局部配筋量控制裂縫開展寬度。

3 結(jié)論

通過對“內(nèi)圓外城門洞形”預應力涵的正常運行工況、施工工況、試水工況檢修工況有限元計算，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)安全可靠，采用無粘結(jié)預應力技術(shù)，以“又”字形鋼絞線束在涵下部兩側(cè)對拉方式施加環(huán)向預應力，滿足了涵體結(jié)構(gòu)強度和抗裂使用要求。

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