引松供水工程輸水總干線現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵設(shè)計

王 倩 ，鞠 曄 ，高藝馨

（1.吉林省水利水電勘測設(shè)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(shè)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(yù)應(yīng)力涵具備條件，最終確定采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)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(yù)料的技術(shù)問題。

②運輸PCCP的大型專用設(shè)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力圓涵。

1 現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)布置

1.1 環(huán)形預(yù)應(yīng)力作用機理

環(huán)形預(yù)應(yīng)力技術(shù)是通過張拉環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼絞線束，對圓涵混凝土施加預(yù)壓應(yīng)力的，曲線預(yù)應(yīng)力鋼絞線束在預(yù)應(yīng)力形成機理上與直線預(yù)應(yīng)力鋼絞線束有所不同，直線預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼絞線束則主要通過預(yù)應(yīng)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(yù)壓應(yīng)力。

取平面曲線預(yù)應(yīng)力鋼絞線束微段分離體如圖1所示：

圖1 環(huán)形預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼絞線束與孔道間的摩擦系數(shù)；f為預(yù)應(yīng)力鋼絞線束與孔道間的摩擦力集度；p為預(yù)應(yīng)力鋼絞線束與孔道間的壓力集度；T為計算截面處預(yù)應(yīng)力鋼絞線束張拉力。

由于環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼絞線束與孔道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失在全部預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼絞線束對孔道的徑向擠壓力，還應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼絞線采用后張無粘結(jié)施工方法，其預(yù)應(yīng)力損失包括錨具變形和鋼筋內(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)力筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失Sl4、混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失Sl5，以及預(yù)應(yīng)力鋼絞線分批張拉時，后批張拉預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼絞線所造成的預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力，在混凝土預(yù)壓前的損失，即第一批損失為：

混凝土預(yù)壓后的損失，即第二批損失為：

預(yù)應(yīng)力總損失為：

第一批預(yù)應(yīng)力損失后，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力為：

預(yù)應(yīng)力鋼絞線的長期有效預(yù)應(yīng)力為：

現(xiàn)對應(yīng)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(yù)應(yīng)力損失計算表 MPa

2.1.2 預(yù)應(yīng)力模擬

采用降溫法模擬預(yù)應(yīng)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(yīng)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(yīng)變狀態(tài)。

2）常規(guī)鋼筋和預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)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(yīng)力。最大壓應(yīng)力4.53～9.74 MPa，C40混凝土的抗壓強度設(shè)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(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，1級水工建筑物，預(yù)應(yīng)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(yīng)力，最大拉應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力，滿足了涵體結(jié)構(gòu)強度和抗裂使用要求。

[1]傅章吉.d4.8 m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土“圓涵”的設(shè)計研究[J].廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004（3）.

[2]陽武，陳曉文，李紅衛(wèi)，葉堯輝.東改工程C-Ⅱ標段預(yù)應(yīng)力涵管結(jié)構(gòu)試驗研究[J].廣東水利水電，2004（4）.

[3]嚴振瑞，朱方敏.東深供水改造工程φ4.8 m大型無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力涵管的有限元仿真分析[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2008（2）.