左岸排水渡槽結(jié)構(gòu)形式與預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

武愛玲

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

左岸排水渡槽結(jié)構(gòu)形式與預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

武愛玲

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

南水北調(diào)中線京石段布置105座河穿渠排水建筑物，其中23座位于干渠深挖方段，河道以排水渡槽的形式穿越，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較有22座采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其中多側(cè)墻結(jié)構(gòu)14座，多縱梁結(jié)構(gòu)8座。文中闡述了排水渡槽工程布置和結(jié)構(gòu)形式，對(duì)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)原則、預(yù)應(yīng)力材料選擇、預(yù)應(yīng)力損失、鋼絞線計(jì)算、鋼絞線布置與施工張拉等方面進(jìn)行敘述，為同類工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

多側(cè)墻；多縱梁；預(yù)應(yīng)力；鋼絞線；后張法；施工張拉

南水北調(diào)中線工程是一項(xiàng)跨流域、跨省市的特大型調(diào)水工程。京石段應(yīng)急供水工程近期擔(dān)負(fù)著向北京市應(yīng)急供水和南水北調(diào)中線一期工程的輸水任務(wù)。該段途經(jīng)河北省石家莊和保定12個(gè)縣（市），全長(zhǎng)227.342km，根據(jù)河渠相對(duì)位置關(guān)系及河道控制流域面積（＜20km2），沿線布置105座河穿渠左岸排水建筑物，其中河穿渠倒虹吸62座，涵洞20座，排水渡槽23座。總干渠全線為自流，設(shè)計(jì)要求總干渠過水?dāng)嗝鎯?nèi)少設(shè)或不設(shè)墩、柱，以減少渠道水頭損失。因此，渡槽在布置時(shí)盡量采用大跨度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)大部分排水渡槽為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

1 布置及結(jié)構(gòu)形式

排水渡槽位于深挖方渠段，分別建于坡水區(qū)或排洪溝內(nèi)。洪水標(biāo)準(zhǔn)為50a設(shè)計(jì)，200a校核，設(shè)計(jì)流量11.5～184.8m3/s，校核流量15.4～264.1m3/s?？傮w布置縱向采用適應(yīng)地基變形較強(qiáng)的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，跨數(shù)1～7跨，單跨長(zhǎng)度12～24m，槽身總長(zhǎng)24～154m，橫向斷面1～5槽。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較有22座排水渡槽采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

根據(jù)河渠地形條件，渡槽軸線與總干渠中心線大部分為正交，有3座渡槽斜交布置，其軸線布置與總干渠中心線最小夾角為71°。為使渡槽進(jìn)出口水流平順，有效降低槽內(nèi)水深，進(jìn)出口漸變段設(shè)計(jì)有八字墻、圓弧形翼墻兩種。

根據(jù)槽底與干渠水位相對(duì)位置關(guān)系，槽身結(jié)構(gòu)分為多側(cè)墻和多縱梁兩種結(jié)構(gòu)形式。

1.1 多側(cè)墻結(jié)構(gòu)

以側(cè)墻代梁，側(cè)墻與底板為整體結(jié)構(gòu)，通過水力設(shè)計(jì)分別為1～5槽，該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是側(cè)墻和底板共同受力，可有效降低槽底高程，自重??；缺點(diǎn)是側(cè)墻影響過水，橫向?qū)挾却?，不能預(yù)制，施工復(fù)雜。

1.2 多縱梁結(jié)構(gòu)

過水槽身為單一鋼筋混凝土矩形斷面，槽下為預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁。優(yōu)點(diǎn)是過水?dāng)嗝娲?，橫向?qū)挾刃?，縱梁可預(yù)制吊裝，施工方便。缺點(diǎn)是過水槽身不承擔(dān)荷載，上部結(jié)構(gòu)重量較大。

經(jīng)過水力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)比較，采用多側(cè)墻結(jié)構(gòu)14座，多縱梁結(jié)構(gòu)8座。下部支撐結(jié)構(gòu)根據(jù)荷載和基礎(chǔ)形式，采用薄壁墩和柱墩，基礎(chǔ)采用樁基和擴(kuò)大基礎(chǔ)兩種形式。

2 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

結(jié)合左岸排水渡槽的運(yùn)用情況、受力特點(diǎn)，在進(jìn)行截面應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)采用有限預(yù)應(yīng)力混凝土。即在空槽和設(shè)計(jì)洪水位情況下截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力；在校核洪水位情況下，截面允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力不超過混凝土規(guī)定的抗拉強(qiáng)度。

2.2 預(yù)應(yīng)力損失

結(jié)合排水渡槽的具體情況，在設(shè)計(jì)中采用后張法。后張法施工的預(yù)應(yīng)力在張拉過程和運(yùn)用過程中共存在兩批4種預(yù)應(yīng)力損失。第一批預(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、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。第二批預(yù)應(yīng)力損失包括預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失。此外考慮施工過程中，鋼絞線通常不能同時(shí)張拉而必須分批張拉，因此還要計(jì)算后批張拉的鋼絞線對(duì)先批張拉鋼絞線的影響。

2.3 預(yù)應(yīng)力材料選擇

預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線。公稱直徑15.2mm每根（7股），公稱截面面積139mm2，公稱質(zhì)量1101kg/km，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860N/mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1260N/mm2，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360N/mm2，張拉控制應(yīng)力取1302N/mm2。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50W4F200，軸心抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值32.0N/mm2，抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值23.5N/mm2；軸心抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值2.75N/mm2，抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值2.00N/mm2。

2.4 鋼絞線計(jì)算

在設(shè)計(jì)中，鋼絞線除按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算外，還對(duì)制作、吊裝、施工階段等進(jìn)行計(jì)算。承載能力計(jì)算包括正截面承載能力計(jì)算和斜截面承載能力計(jì)算。正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算包括正截面抗裂驗(yàn)算和斜截面抗裂驗(yàn)算。

多側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用的是一端張拉；多縱梁結(jié)構(gòu)采用的是兩端張拉。一端張拉選取左支座、1/4跨度、跨中、3/4跨度、右支座5個(gè)截面進(jìn)行計(jì)算；兩端張拉選取支座、1/4跨度、跨中3個(gè)截面進(jìn)行計(jì)算。

3 鋼絞線布置與施工張拉

3.1 鋼絞線布置

多縱梁或多側(cè)墻為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，跨中截面彎矩最大，支座處剪力最大。為抵抗跨中截面邊緣的拉應(yīng)力，跨中截面的鋼絞線布置在截面的下邊緣，最下層鋼絞線距梁底20cm；孔道之間的水平凈距不小于5cm，并結(jié)合錨板的凈距要求進(jìn)行布置；孔道至構(gòu)件邊緣的凈距不小于3cm，且不小于孔道直徑的1/2；孔道在豎直方向的凈距不小于孔道的外徑，采用15cm。梁端部附近截面因拉應(yīng)力小，剪應(yīng)力較大，需要彎起部分鋼絞線抗剪。彎起的鋼絞線數(shù)量和位置通過計(jì)算確定，并應(yīng)滿足錨墊板的布置要求，設(shè)計(jì)錨墊板與鋼絞線垂直。為解決局部承壓?jiǎn)栴}，在端部錨固區(qū)設(shè)置螺旋筋和鋼筋網(wǎng)片，螺旋筋焊接在錨墊板上。多側(cè)墻、多縱梁的鋼絞線布置見圖1，2。

圖1 多側(cè)墻結(jié)構(gòu)鋼絞線布置示意圖

圖2 多縱梁跨中、梁端鋼絞線布置圖

3.2 鋼絞線張拉控制

鋼絞線張拉控制應(yīng)力σcon為1302MPa，經(jīng)計(jì)算，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件澆筑后，待混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到90%時(shí)方可張拉。多側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用一端張拉，多縱梁結(jié)構(gòu)采用兩端張拉。張拉遵循同步、對(duì)稱的原則。鋼絞線張拉順序通過計(jì)算確定。張拉步驟：張拉應(yīng)力σ→15%σcon→30%σcon→103%σcon。預(yù)應(yīng)力筋在張拉過程中，除采用應(yīng)力控制外，還采取伸長(zhǎng)量校核的原則。實(shí)際伸長(zhǎng)值與計(jì)算伸長(zhǎng)值的允許偏差為±6%。如果超過該值，則暫停張拉，采取措施予以調(diào)整后，方可繼續(xù)張拉。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固后的外露長(zhǎng)度控制在30mm，多余部分用砂輪鋸切割。錨具采用封頭混凝土保護(hù)，其厚度不小于10mm。梁端二期混凝土嚴(yán)格按預(yù)留位置和范圍，對(duì)混凝土表面進(jìn)行鑿毛后并用水沖洗干凈，濕潤(rùn)后在其表面抹10～15mm同梁強(qiáng)度等級(jí)相同的細(xì)石混凝土，然后再澆筑同梁強(qiáng)度等級(jí)相同的混凝土，并振搗密實(shí)。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)河渠地形條件，有20座渡槽與總干渠正交，有3座渡槽與總干渠斜交。

（2）根據(jù)工程布置，有14座渡槽采用多側(cè)墻結(jié)構(gòu)、8座渡槽采用多縱梁結(jié)構(gòu)，較好地滿足了工程安全運(yùn)行需要。

（3）工程通過近兩年多的運(yùn)行和部分排水渡槽滿槽通水檢驗(yàn)，工程安全可靠，未發(fā)現(xiàn)任何問題，為預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

［1］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程可行性研究報(bào)告（上冊(cè)）［R］.2003.

［2］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2004.

［3］本書編委會(huì).水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

［4］SL/T 191—96，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］GB/50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］本書編委會(huì).預(yù)應(yīng)力技術(shù)及材料設(shè)備［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［7］JTJ/041—2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

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1672-9900（2011）01-0051-03

2010－01－14

武愛玲（1965－），女（漢族），河北磁縣人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)，（Tel）13502010486。