隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌中單層與雙層鋼絞線襯砌受力性能分析

曾 強(qiáng)

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽 110179)

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隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌中單層與雙層鋼絞線襯砌受力性能分析

曾 強(qiáng)

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽 110179)

本文通過對比分析不同圍巖彈性抗力系數(shù)的情況下單層與雙層鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌受力性能的變化，找到合理的鋼絞線布置方式。

鋼絞線； 彈性抗力系數(shù)； 應(yīng)力； 變形

大伙房水庫輸水(二期)工程是向撫順、沈陽、遼陽、鞍山、盤錦、營口六座城市供水的輸水工程。輸水線路總長253km，其中撫順段以隧洞為主，隧洞長29.1km。該工程引水規(guī)模613萬m3/d。

1 襯砌相關(guān)參數(shù)

工程隧洞級別為Ⅰ級。輸水隧洞采用圓形斷面，隧洞直徑6m。隧洞施工采用鉆爆法，圍巖開挖后即進(jìn)行噴錨支護(hù)，預(yù)應(yīng)力環(huán)錨混凝土襯砌，襯砌厚度為1/12隧洞內(nèi)徑，即500mm。隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌的混凝土強(qiáng)度等級為C40。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)度低松弛1860級無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fptk=1395MPa。普通鋼筋采用標(biāo)準(zhǔn)熱軋Ⅱ級鋼筋。

2 單層與雙層鋼絞線襯砌受力性能分析

2.1 隧洞襯砌對比分析計(jì)算參數(shù)

預(yù)應(yīng)力襯砌混凝土在其他條件不變的前提下，將鋼絞線布置為單層雙圈和雙層雙圈，由于錨具槽深度、錨具槽間距、預(yù)應(yīng)力鋼筋變角偏轉(zhuǎn)半徑、預(yù)應(yīng)力損失等方面必然存在差異，單層與雙層鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌的受力性能必然存在相應(yīng)的差異。

本文取圍巖彈性抗力系數(shù)K=1.0MPa/cm 和1.5MPa/cm，在基本載荷下開展單層與雙層鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌受力性能的對比分析。將鋼絞線布置為單層雙圈時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋用量均取4×φj15.24@300單層雙圈、環(huán)錨，相鄰兩錨具槽夾角均為80°，預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失取μ=0.06，κ=0.004，預(yù)留內(nèi)槽口長1.3m，中心深0.15m，寬0.2m。將鋼絞線布置為雙層雙圈時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋用量等效折算為6×φj15.24@450雙層雙圈、環(huán)錨，相鄰兩錨具槽夾角均為80°，預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失取μ=0.06，κ=0.004，預(yù)留內(nèi)槽口長1.3m，中心深0.22m，寬0.2m。

2.2 K=1.0MPa/cm時(shí)預(yù)應(yīng)力襯砌受力性能對比分析

基本荷載組合作用下單層雙圈與雙層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌混凝土徑向應(yīng)力均較小(見表1)。

襯砌混凝土上半圓環(huán)環(huán)向壓應(yīng)力分布較為均勻，在錨具槽和襯砌底部環(huán)向應(yīng)力分布均勻性較差且應(yīng)力變化較為劇烈。上半圓環(huán)頂部襯砌內(nèi)表面壓應(yīng)力較外表面要小，雙層雙圈變化范圍稍大；在30°拱腰處外表面環(huán)向壓應(yīng)力較內(nèi)表面要小，單層雙圈在上半圓環(huán)受力略優(yōu)于雙層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌。單層雙圈預(yù)應(yīng)力襯砌，在下半圓環(huán)襯砌底部外表面混凝土環(huán)向壓應(yīng)力最大，內(nèi)表面最??；錨具槽位置處，襯砌內(nèi)外表面混凝土環(huán)向壓應(yīng)力變化較大，內(nèi)表面大于外表面，在基本荷載組合作用下襯砌混凝土均處于環(huán)向受壓狀態(tài)。而對于雙層雙圈預(yù)應(yīng)力襯砌，由于錨具槽位置等的差異，下半圓環(huán)襯砌混凝土環(huán)向應(yīng)力變化相對單層雙圈略平緩，襯砌底部環(huán)向拉壓應(yīng)力變化劇烈，雙層雙圈在下半圓環(huán)受力優(yōu)于單層雙圈(見表2、圖1)。

表1 K=1.0MP/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌徑向壓應(yīng)力 單位：MPa

表2 K=1.0MP/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌環(huán)向壓應(yīng)力 單位：MPa

圖1 K=1.0MP/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌環(huán)向應(yīng)力

單層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌的預(yù)應(yīng)力鋼絞線與雙層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的拉應(yīng)力兩者差別不大(見表3)。

表3 K=1.0MP/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌鋼絞線拉應(yīng)力 單位：MPa

襯砌結(jié)構(gòu)整體最大位移均位于襯砌結(jié)構(gòu)頂部，單層雙圈與雙層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌數(shù)值分別為3.33mm和3.47mm，雙層雙圈略大(見圖2)。

由上述結(jié)果可知，在上半圓環(huán)，單層雙圈受力略優(yōu)于雙層雙圈；在下半圓環(huán)，雙層雙圈受力則明顯優(yōu)于單層雙圈。這是由于雙層雙圈鋼絞線錨具槽位置偏轉(zhuǎn)深度小于單層雙圈所引起的。

圖2 K=1.0MP/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌變形(形變比例1∶200)(單位：m)

2.3 K=1.5MPa/cm時(shí)預(yù)應(yīng)力襯砌受力性能對比分析

基本荷載組合作用下單層雙圈與雙層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌混凝土徑向應(yīng)力均較小(見表4)。

表4 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌徑向壓應(yīng)力 單位：MPa

襯砌混凝土上半圓環(huán)環(huán)向壓應(yīng)力分布較為均勻，在錨具槽和襯砌底部環(huán)向應(yīng)力分布均勻性較差且應(yīng)力變化較為劇烈。上半圓環(huán)頂部襯砌內(nèi)表面壓應(yīng)力較外表面要小，雙層雙圈變化范圍稍大；在30°拱腰處外表面環(huán)向壓應(yīng)力較內(nèi)表面要小，單層雙圈在上半圓環(huán)受力略優(yōu)于雙層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌。錨具槽位置處，襯砌內(nèi)外表面混凝土環(huán)向壓應(yīng)力變化較大，內(nèi)表面大于外表面；在基本荷載組合作用下襯砌混凝土均處于環(huán)向受壓狀態(tài)。而對于雙層雙圈預(yù)應(yīng)力襯砌，由于錨具槽位置等的差異，下半圓環(huán)襯砌混凝土環(huán)向應(yīng)力變化相對單層雙圈略平緩；襯砌底部環(huán)向拉壓應(yīng)力變化劇烈，雙層雙圈在下半圓環(huán)受力優(yōu)于單層雙圈(見表5、圖3)。

表5 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌環(huán)向壓應(yīng)力 單位：MPa

圖3 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌環(huán)向應(yīng)力(單位：MPa)

單層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌的預(yù)應(yīng)力鋼絞線與雙層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的拉應(yīng)力兩者差別不大(見表6)。

表6 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌鋼絞線拉應(yīng)力 單位：MPa

襯砌結(jié)構(gòu)整體最大位移均位于襯砌結(jié)構(gòu)頂部，單層雙圈與雙層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌數(shù)值分別為2.7mm和2.83mm，雙層雙圈略大(見圖4)。

圖4 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預(yù)應(yīng)力襯砌變形(形變比例1∶200)(單位：m)

由上述結(jié)果可知，在上半圓環(huán)，單層雙圈受力略優(yōu)于雙層雙圈；在下半圓環(huán)，雙層雙圈受力則明顯優(yōu)于單層雙圈。這是由于雙層雙圈鋼絞線錨具槽位置偏轉(zhuǎn)深度小于單層雙圈所引起的。

3 結(jié) 論

當(dāng)圍巖彈性抗力系數(shù)K=1.0MPa/cm 或1.5MPa/cm時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用4×φj15.24@300單層雙圈布置可滿足要求，將預(yù)應(yīng)力鋼筋等效折算為6×φj15.24@450雙層雙圈布置同樣也可滿足設(shè)計(jì)要求，且襯砌混凝土均處于環(huán)向受壓狀態(tài)。同等條件下各工況單層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌上半圓環(huán)環(huán)向應(yīng)力分布略優(yōu)于雙層雙圈，下半圓環(huán)環(huán)向應(yīng)力分布則剛好相反。雙層雙圈鋼絞線預(yù)應(yīng)力襯砌環(huán)向受力總體上略優(yōu)于單層雙圈。這是雙層雙圈鋼絞線錨具槽位置鋼絞線偏轉(zhuǎn)深度小于單層雙圈所致。

王藝翔.隧洞襯砌施工質(zhì)量控制[J].水利建設(shè)與管理，2014(4).

Analysis of single-layer and double-layer steel strand lining stress performance in tunnel prestressed concrete lining

ZENG Qiang

(LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenyang110179,China)

In the paper, rational steel strand arrangement mode is searched through comparative analysis on the changes of single-layer and double-layer steel strand prestressed lining stress performance under the condition of different surrounding rock elastic resistance coefficients.

steel strand; elastic resistance coefficient; stress; deformation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.01.011

TV554

A

1005-4774(2017)01- 0040- 04