預應力體系在船閘塢式閘室中的有益效果

席榮

摘 要：本文結合潁上船閘工程的具體應用，介紹在高邊墩高填土船閘塢式閘室中所采用的U型預應力索塢式結構體系。該

體系應用具有受力良好、壓應力儲備高、裂縫產生少、施工期水化熱較小，可有效降低造價等優(yōu)越性。

關鍵詞：塢式閘室 U型預應力 索塢式結構

高邊墩高填土船閘閘室塢式結構體系是指閘室側墻高度與閘室寬度比大于1.0的結構體系；目前在這一結構體系中都是采用鋼筋混凝土結構。但是塢式閘室由于墻后填土較高、土壓力較大，需要配置大量的鋼筋，當閘墻高度或底板寬度加大時，需要通過加大鋼筋用量來保證強度，結構經濟性差；同時采用普通鋼筋的混凝土結構，其混凝土始終處于受拉狀態(tài)，頻繁出現(xiàn)裂縫，且裂縫寬度難以滿足規(guī)范要求。預應力混凝土結構充分發(fā)揮混凝土抗壓強度高和鋼筋抗拉強度大的優(yōu)點，使得高強度鋼材在混凝土中的應用成為可能，增強混凝土結構的受力性能，減少工程中的鋼筋用量，減少了結構中混凝土的開裂現(xiàn)象，降低工程投資。

沙潁河潁上船閘工程中提出預應力閘室結構設計，預應力鋼筋在塢式閘室結構中呈“U”布置，在使用前預先施加永久內力，使預應力筋中的拉應力和混凝土中的壓應力組成一個自平衡系統(tǒng)，充分發(fā)揮混凝土抗壓強度高和鋼筋抗拉強度大的優(yōu)點，減少閘室結構的拉應力，甚至在閘室內保持一定的壓應力儲備，有效地控制閘室結構的開裂。并且預應力的使用，減少了混凝土及鋼筋的用量，既降低了由于大體積混凝土溫度應力引起的裂縫，同時也降低了工程的總造價，具有重要的社會、經濟和工程效益。

潁上船閘工程按Ⅳ級標準設計，圖1為閘室結構圖，閘室采用預應力鋼筋混凝土塢式結構，凈寬12米，邊墻頂標高29.35米，底板頂高程14.0米，底板厚度2.2米，總高度16.8米。圖2為采用ANSYS軟件中三維桿單元LINK8模擬完建以后閘室結構的預應力鋼筋模型，LINK8單元有著廣泛的工程應用，該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形、大應變等功能比如：桁架、纜索、連桿、彈簧等。

閘墻背土壓力荷載計算

對于擋土墻或閘室墻體等擋土結構，在設計過程中，對于設計人員來說，一般都按照規(guī)范中所定的土壓力荷載計算方法進行計算。如主動土壓力的計算，對無粘性多層土，第n層土的土壓力合力可按式（1）計算，

（1）

其土壓力合力的水平分力和土壓力合力的垂直分力可分別按式（2）和式（3）進行計算，

（2）

（3）

式中，En——第n層土的土壓力合力；e′n，e″n——分別為第n層土上、下端處單位面積土壓力強度；

e′nx，e″nx——分別為第n層土上、下端處單位面積土壓力的水平分力強度；hn——第n層土的厚度；？琢——折線墻背與垂線的夾角，仰角為正值，俯角為負值；Enx，Eny——分別為第n層土土壓力合力的水平分力和垂直分力。

在工程實際中，擋土結構如閘墻墻背填土是在施工過程中逐級回填壓實的一種加荷過程，不僅荷載不斷增加，而且結構本身也在逐漸擴大，即填土體在加高。填土逐級加高的計算位移，與填土體完全形成荷載突然施加所產生的位移是不同的。這就給土壓力荷載的計算增大了難度，也提高了計算的復雜性，往往一種單純的計算模型很難得到比較精確的結果。

因此在本項目中，建立計算模型時考慮墻背回填土直接參與計算。利用數(shù)值仿真模型計算的優(yōu)勢，采用計算網(wǎng)格的增減模擬填土逐級加高的過程，并充分考慮已填筑的土體應力和新回填土體的初始應力，建立三維的數(shù)值仿真計算模型，來計算土體對結構體的土壓力荷載，在此基礎上得到較精確的結構變形和應力分布情況。

采用ANSYS有限元程序[3-4]建立三維空間模型，土體采用Drucker-Prager理想彈塑性模型，土體參數(shù)根據(jù)工程現(xiàn)場土體試驗獲取，根據(jù)施工過程中閘室側墻及回填土的施工進度建立施工過程分析模型。土體與閘室結構間根據(jù)兩種不同材料的參數(shù)建立接觸單元，模擬土體與結構間的相互作用，根據(jù)計算結果提取土體對閘室側墻的土壓力數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場埋設土壓力計實測數(shù)據(jù)進行比較。計算模型如圖3所示。

圖4和圖5為閘墻施工完成后墻背填土X方向和Y方向應力云圖。圖6為三維仿真分析結果提取的土壓力數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測土壓力數(shù)據(jù)對比曲線圖。三維仿真分析結果提取的土壓力數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測土壓力數(shù)據(jù)對比曲線看，仿真計算所得的土壓力反映了實際土壓力的趨勢，與實測值較為接近，而根據(jù)規(guī)范方法計算所得的土壓力值與實測的土壓力相差較大，變化趨勢也有區(qū)別。從而表明本文采用三維空間模型考慮土體與結構的相互作用所得的土壓力能夠反映實際工程中結構的受荷方式和大小，相比之下計算精確度有一定的提高，也為后續(xù)高邊墩預應力塢式閘室結構的分析提供了有效的保證。

預應力塢式閘室與普通鋼筋混凝土閘室結構比較分析

閘室結構有分離式和整體式兩種型式，一般據(jù)地質條件、水頭大小、填土高度等因素綜合確定。一般情況下，地質條件好，水頭差不大時，選擇分離式結構，反之地質條件差，水頭差較大時，選擇整體式結構。

潁上船閘以粉質粘土和粉土為主，其間夾雜著淤泥質粘土和細砂層等，閘室基底下地基持力層即粉質粘土的容許承載力僅為140～180KPa，另外船閘上、下游通航水位差值達到10.13m，墻后填土高度達16.8m，在這種條件下，塢式（即整體式）閘室結構是最合理的選擇。

預應力混凝土塢式閘室與鋼筋混凝土塢式閘室在外部受力條件上是一致的，都屬于彈性地基上的U型結構，只不過配筋的方式不同。鋼筋混凝土塢式閘室在配筋設計時，要控制裂縫的開展寬度，當閘墻較高時，即高寬比大于1.0時，閘室底板與側墻以正彎矩為主，這樣閘墻需配置多層鋼筋，且不易滿足裂縫開展寬度的要求，使得結構鋼筋易受外部污染水質的侵蝕，影響結構的使用壽命，再者整個結構的尺寸也比預應力混凝土閘室大一些。而預應力混凝土塢式閘室充分利用高強鋼絞線的特性，使得閘室在各種工況下，結構各部位均在壓應力狀態(tài)下，徹底克服了污染水質對鋼筋的侵蝕，極大地提高了結構的使用壽命，且受力條件更加合理。

根據(jù)考慮了土體及施工過程的三維空間模型進行仿真分析，獲取作用于閘室側墻墻背的土壓力，并與工程現(xiàn)場實測土壓力值進行對比分析，計算值與實測值接近，土壓力曲線吻合較好，說明了本項目中采用的計算方法對于分析閘室結構的變形和應力分布情況是可靠的、科學的。

將三維仿真模型計算結果與現(xiàn)場實測結構應力進行比較，仿真分析結果與實測結果基本吻合，也表明了預應力塢式閘室結構在不同工況下受力狀態(tài)良好，能夠滿足船閘設計及船閘結構運營要求。

結束語

與已有技術相比，預應力體系在船閘塢式閘室中的應用有益效果體現(xiàn)在：

在閘室結構采用預應力混凝土結構，充分發(fā)揮混凝土抗壓強度高和預應力鋼束抗拉強度大的優(yōu)點，減少閘室結構的拉應力，甚至在閘室內保持一定的壓應力儲備，有效地控制閘室結構的開裂，從而增強船閘工程的耐久性。同時，采用預應力鋼束可以較大地減少鋼筋用量，從而降低工程造價。

通過預應力塢式閘室結構與普通鋼筋混凝土塢式閘室結構比較分析，預應力塢式閘室結構相比普通鋼筋混凝土塢式閘室結構，在結構受力性能、結構耐久性及工程造價方面都有顯著的優(yōu)越性，本項目所提出預應力塢式閘室結構是船閘工程領域的一創(chuàng)新性成果，將推動船閘工程乃至水工建筑領域邁向新的發(fā)展時期。

（作者單位：安徽省交通勘察設計院有限公司）