李進亮

(河北省水利工程局，石家莊 050021)

1 前言

水利工程箱涵，即以鋼筋混凝土箱型管節(jié)修建的涵洞，是一種常見的重要輸水工程建筑物型式。因其具有地基壓應(yīng)力均勻、整體性好、耐久性強、變形小、不影響河道泄洪和道路通行等特點，在輸水工程中應(yīng)用較廣。

南水北調(diào)中線天津干線全長155.35km，分為6個設(shè)計單元。第2設(shè)計單元工程起點樁號為XW15+200，終點樁號為XW60+842，長45.680km。全線采用有壓鋼筋混凝土箱涵輸水方案。設(shè)計輸水流量50m3/s，加大輸水流量60m3/s。采用C30W6F150現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，斷面為3(孔)×4.4m×4.4m。箱涵埋深3m左右，梯形開挖斷面(詳見圖1)。

圖1 箱涵典型斷面結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)研究路線

2.1 研究內(nèi)容

為優(yōu)化箱涵施工，針對保定1段箱涵進行兩階段(兩層澆筑法)及三階段(三層澆筑法)施工鋼筋混凝土箱涵變形情況三維數(shù)值仿真計算，分析不同澆筑方法時混凝土箱涵應(yīng)力應(yīng)變及箱涵拆模后應(yīng)力應(yīng)變分析。

2.2 三維分析模型建立情況

基于箱涵澆筑過程中鋼筋混凝土由于自重內(nèi)力產(chǎn)生的位移及變形情況，采用三維快速拉格朗日分析計算程序FLAC3D，建立其三維數(shù)值分析模型，如圖2所示。同時，為便于后續(xù)分析，在模型中設(shè)置了25個監(jiān)測點，監(jiān)測應(yīng)力及位移情況，監(jiān)測點具體位置如圖3所示。

圖2 三維數(shù)值計算模型(不同顏色代表實際分階段情況)

圖3 監(jiān)測點布置情況

3 三層澆筑法

結(jié)合混凝土澆筑實際情況，對齡期7天時箱涵澆筑、模板拆除中應(yīng)力及變形情況進行分析。

3.1 澆筑底板

3.1.1 澆筑

底板澆筑后主應(yīng)力分布情況如圖4、圖5所示。

圖4 底板澆筑后最大主應(yīng)力分布云圖 單位:kPa

圖5 底板澆筑后最小主應(yīng)力分布云圖 單位:kPa

由圖4、圖5可知，底板澆筑后所產(chǎn)生應(yīng)力主要是由于自重應(yīng)力作用所導(dǎo)致，底板澆筑后所產(chǎn)生最大主應(yīng)力隨厚度的增加而增加，最大主應(yīng)力極值一般出現(xiàn)于寬度方向兩端位置，達到26kPa左右。

3.1.2 拆模

齡期7天后，拆除底板澆筑模板，底板主應(yīng)力分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 拆除底板澆筑模板后最大主應(yīng)力分布云圖單位:kPa

圖7 拆除底板澆筑模板后最小主應(yīng)力分布云圖單位:kPa

由圖6、圖7可知，齡期7天后，拆除底板澆筑模板時，相比較模板未拆除前主應(yīng)力分布特征變化較小，基本與未拆除前保持一致，其中最大主應(yīng)力位于寬度方向兩端位置，仍為26kPa左右。齡期7天模板拆除后，底板變形主要為豎直方向，同時，水平方向亦有較小變形，但兩個方向變形量值均較小，為10－2mm量級，最大位移達到1.0×10－2mm左右。

3.2 澆筑立墻

3.2.1 澆筑

立墻澆筑后底板主應(yīng)力分布情況如圖8、圖9所示。

圖8 立墻澆筑后底板最大主應(yīng)力分布云圖 單位:kPa

圖9 立墻澆筑后底板最小主應(yīng)力分布云圖 單位:kPa

由圖8、圖9可知，底板由于立墻的澆筑，承受立墻自重作用而發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，八角部位最大主應(yīng)力達到90kPa左右。

3.2.2 拆模

齡期7天后，拆除立墻模板后主應(yīng)力分布情況如圖10、圖11所示。

圖10 拆除立墻模板后最大主應(yīng)力分布云圖 單位:kPa

圖11 拆除立墻模板后最小主應(yīng)力分布云圖 單位:kPa

由圖10、圖11可知，齡期7天后，拆除立墻模板時，立墻及底板應(yīng)力分布情況與齡期4天時相近，無明顯變化。齡期7天后拆除立墻模板，豎向及水平向變形情況與其他齡期較為一致，但由于齡期增加，豎向位移量及總體位移量值較小，最大量值為5×10－2mm左右。

3.3 澆筑頂板

3.3.1 澆筑

澆筑頂板后立墻及底板主應(yīng)力分布情況如圖12、圖13所示。

圖12 澆筑頂板后立墻及底板最大主應(yīng)力分布云圖單位:kPa

圖13 澆筑頂板后立墻及底板最小主應(yīng)力分布云圖單位:kPa

由圖12、圖13可知，頂板澆筑后底板應(yīng)力由于立墻自重的承壓作用而發(fā)生變化，八角位置應(yīng)力可達到110kPa左右，而邊墻外表壁部分區(qū)域可達到130kPa左右。

3.3.2 拆模

齡期7天，頂板模板拆除后，由于模板的支撐作用消失，箱涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生重新分布。立墻應(yīng)力量值變大，主要應(yīng)力集中部位為倒八角部位，量值達到360kPa左右。同時，頂板不同部位應(yīng)力性質(zhì)不同，頂板上部為壓應(yīng)力、下層中間部分則為張拉應(yīng)力，量值為－150kPa左右。

拆除頂板模板后箱涵變形情況如圖14～16所示。

圖14 箱涵豎直方向位移分布云圖 單位:10－2mm

圖15 箱涵水平方向位移分布云圖 單位:10－2mm

圖16 箱涵總位移分布云圖 單位:10－2mm

由圖14～16可知，拆除頂板模板后，箱涵結(jié)構(gòu)主要變形位置為頂板，其中左右涵洞部位豎直位移達到80×10－2mm左右，同時由于頂板變形，水平寬度方向變形量達到20×10－2mm左右，其中總位移量為80×10－2mm左右，為兩側(cè)涵洞頂板位置。

4 兩層澆筑法

實際箱涵澆筑中均為先澆筑底板，并采用強度是否達到齡期28天強度的75%，作為判斷是否拆除模板的標(biāo)準(zhǔn)，故無論對于兩階段澆筑法抑或三階段澆筑法，均為先澆筑底板后，再分階段澆筑立墻和頂板或一次性澆筑。對于底板應(yīng)力及變形情況，兩種澆筑方法相同，此處不重復(fù)分析兩階段澆筑法時底板的應(yīng)力變形情況。

5 兩種方法對比分析

通過對不同工法及7天齡期情況下澆筑及模板拆除箱涵應(yīng)力及變形情況數(shù)值模擬分析，結(jié)合不同監(jiān)測點應(yīng)力及位移情況，對兩層澆筑與三層澆筑法的應(yīng)力及變形進行對比分析。

5.1 應(yīng)力對比

兩種澆筑方法不同齡期時拆除模板后各監(jiān)測點對應(yīng)的最大主應(yīng)力量值如圖17、圖18所示。

圖17 齡期4天時最大主應(yīng)力 單位:kPa

圖18 齡期7天時最大主應(yīng)力 單位:kPa

由圖17、圖18各監(jiān)測點最大主應(yīng)力在兩種不同澆筑方法下不同齡期時的量值大小可知，兩種方法的監(jiān)測點最大主應(yīng)力量值基本相近，即兩層或三層澆筑方法對箱涵體最大主應(yīng)力分布的影響較小。

兩種澆筑方法不同齡期時拆除模板后各監(jiān)測點對應(yīng)的最小主應(yīng)力量值如圖19、圖20所示。

圖19 齡期4天時最小主應(yīng)力 單位:kPa

圖20 齡期7天時最小主應(yīng)力 單位:kPa

由圖19、圖20各監(jiān)測點最小主應(yīng)力在兩種不同澆筑方法下不同齡期時的量值大小可知，兩種方法的監(jiān)測點最小主應(yīng)力量值亦基本相近，即兩層或三層澆筑方法對箱涵體最小主應(yīng)力分布的影響較小。

5.2 位移對比

兩層、三層澆筑法對應(yīng)不同齡期時拆除模板各監(jiān)測點的位移情況如圖21、圖22所示。

圖21 齡期4天時監(jiān)測點位移 單位:10－2mm

圖22 齡期7天時監(jiān)測點位移 單位:10－2mm

由圖21、圖22可知，相同齡期不同澆筑方法對于箱體的變形量具有一定的影響，一般規(guī)律為三層澆筑法對應(yīng)各監(jiān)測點位移基本低于兩層澆筑法所對應(yīng)位移值，即自箱涵體穩(wěn)定性角度考慮，三層澆筑法更有利于箱涵的穩(wěn)定。

6 結(jié)語

針對南水北調(diào)中線天津干線保定段，通過不同施工工藝及變形分析可知:無論采用兩層澆筑法或三層澆筑法，對最終模板拆除后應(yīng)力分布影響較小。兩層澆筑法及三層澆筑法倒八角位置一般為應(yīng)力集中區(qū)，頂板上層承受壓應(yīng)力，下層一定區(qū)域則為張拉應(yīng)力。相同齡期不同澆筑方法對于箱涵體的變形量具有一定影響，一般規(guī)律為三層澆筑法對應(yīng)各監(jiān)測點位移基本低于兩層澆筑法所對應(yīng)位移值。從箱涵體穩(wěn)定性角度考慮，三層澆筑法更有利于控制箱涵的位移?！?/p>