大跨度U型渡槽施工順序研究

蔣婉瑩，徐芳芳

0 引言

渡槽是一種主要用于輸水的水工建筑物。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其是南水北調(diào)、水電開發(fā)等大型工程的興建，渡槽的規(guī)模越來越大,結(jié)構(gòu)及施工也越來越復(fù)雜。如樟洋渡槽[1]單跨跨長24 m，槽身高6.15 m，采用U型橫截面；沙河渡槽[2]單跨30 m，槽身為U型斷面，直徑8 m；界河渡槽[3]為預(yù)應(yīng)力空腹下承式桁架拱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)跨度40.2 m，矢高7.4 m；澧河渡槽[4]槽跨有30 m和40 m兩種跨徑。由于跨度大，渡槽自身結(jié)構(gòu)無法承受過水荷載，故大多采用預(yù)應(yīng)力筋或預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行加固，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)又將導(dǎo)致施工工藝和難度大大提高。所以，為提高施工進(jìn)度和確保渡槽的安全有必要對施工過程進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6-9]對預(yù)應(yīng)力渡槽的受力及施工進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)[6]考慮氣溫變化研究了合理的張拉時(shí)機(jī)；文獻(xiàn)[7-8]研究了預(yù)應(yīng)力對渡槽動力特性的影響；文獻(xiàn)[9]研究了縱向預(yù)應(yīng)力筋的合理張拉程序；這些文獻(xiàn)的研究成果都對渡槽的設(shè)計(jì)施工提供了很好的技術(shù)支持。本文以某大型渡槽為背景，利用ABAQUS有限元軟件，模擬造槽機(jī)施工方法，通過分析縱向和環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線的不同張拉次序以及同方向分批張拉時(shí)槽身應(yīng)力的分布情況，以應(yīng)力為控制標(biāo)準(zhǔn)，給出合理的張拉過程，為確定此渡槽的安全施工步驟和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

某渡槽是南水北調(diào)中線一期工程總干渠上的一大型跨河建筑物，初步設(shè)計(jì)推薦三線三槽40 m跨度U型槽方案。槽身設(shè)計(jì)為雙向預(yù)應(yīng)力薄壁結(jié)構(gòu)，采用造槽機(jī)澆筑施工，預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固。由于渡槽規(guī)模大，經(jīng)有限元法計(jì)算在槽體自重荷載作用下，跨中截面底部軸向就將產(chǎn)生2.08 MPa的拉應(yīng)力；如在脫模前施加全部縱向預(yù)拉荷載，由于反拱作用在槽身頂部軸向又將產(chǎn)生高達(dá)1.17 MPa的拉應(yīng)力。這些拉應(yīng)力使混凝土有可能發(fā)生開裂破壞。所以，在脫模之前必須對鋼絞線預(yù)拉，控制槽體的拉應(yīng)力，確保渡槽的安全。但鋼絞線預(yù)拉多少、是分批分級預(yù)拉還是一次預(yù)拉、是先縱向后環(huán)向預(yù)拉或反之等一系列問題需進(jìn)行研究后，才能得到一個(gè)可行的施工方案，它既確保渡槽在施工中的安全，又具較好的施工效率。

渡槽按簡支梁型式布置。見圖1，在跨中斷面槽高為8.23 m，支座斷面為8.70 m，槽壁直段高均為3.0 m，弧段內(nèi)半徑4.5 m，槽壁厚度0.35 m；槽底板在跨中厚1.0 m，支座斷面厚1.47 m。渡槽頂部沿邊梁每2.5 m設(shè)置一根0.5 m×0.5 m的拉桿，以增加渡槽槽壁的側(cè)向穩(wěn)定。渡槽設(shè)計(jì)水深5.959 m，加大水深6.618 m。

槽身混凝土強(qiáng)度等級為C50，按雙向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，預(yù)應(yīng)力筋均采用1860級15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線。見圖1，在槽底加厚部位布置兩層共31束（12×15.2）＠32的縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，在槽頂兩側(cè)截面擴(kuò)大處各布置兩束（12×15.2）的鋼絞線；在跨中1/2跨區(qū)域內(nèi)布置（7×15.2）＠40環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線50根，為防止過大的剪應(yīng)力產(chǎn)生斜截面破壞，而在兩端1/4跨內(nèi)對環(huán)向鋼絞線進(jìn)行加密，按（7×15.2）＠33布置60根。環(huán)向鋼絞線共110根。

圖1 渡槽橫截面形狀及槽身預(yù)應(yīng)力配筋布置（單位：cm）

2 計(jì)算方法和計(jì)算條件

2.1 有限單元法

考慮到U型渡槽結(jié)構(gòu)的重要性及復(fù)雜性，以及在自重、溫度、預(yù)應(yīng)力等荷載作用下，用常規(guī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法難以對結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行精確的分析。因此，采用大型商業(yè)有限元軟件Abaqus對渡槽進(jìn)行應(yīng)力分析。由于渡槽不允許出現(xiàn)開裂、屈服等破壞形式，故采用線彈性有限元模型計(jì)算。

2.2 鋼絞線預(yù)應(yīng)力的施加方法

為簡化計(jì)算，將預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土分別考慮。對直線布置的縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直接在渡槽端部斷面錨頭處加預(yù)緊力。環(huán)向圓弧段鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失按水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]計(jì)算，計(jì)算時(shí)分別考慮錨具變形與鋼絞線內(nèi)縮損失、鋼絞線應(yīng)力松弛損失、混凝土徐變損失、摩阻損失，得出預(yù)應(yīng)力鋼絞線各部位的有效預(yù)應(yīng)力、鋼絞線對孔道的徑向擠壓力、拖曳力，最后等效為節(jié)點(diǎn)力施加到有限元模型的節(jié)點(diǎn)上。

2.3 計(jì)算荷載及參數(shù)

荷載有槽身自重，容重取25 kN/m3，混凝土彈性模量Ec=2.3×104MPa。鋼絞線彈性模量 Ep=1.95×105MPa，控制張拉應(yīng)力σcom=1302 MPa，鋼束公稱面積（15.2）為 140.0 mm2。溫度荷載有溫升和溫降，溫升指槽壁外側(cè)溫度比內(nèi)側(cè)高，溫降指槽壁外側(cè)溫度比內(nèi)側(cè)低。由于暫無實(shí)測的溫度資料，溫度荷載作簡化處理，在施工階段依據(jù)經(jīng)驗(yàn)溫度變化考慮3°和5°兩種情況?；炷翢崤蛎浵禂?shù)取1.0×10-5。

2.4 計(jì)算模型

根據(jù)對稱性，取渡槽的半跨分析，見圖2。坐標(biāo)系x軸為橫向，y軸鉛直向上，z軸沿軸線（順?biāo)鞣较颍?。有限元模型的?jié)點(diǎn)數(shù)為16932，單元數(shù)為12438。在渡槽的端部與橋墩連接部位設(shè)置墊層單元，以模擬實(shí)際的簡支情況。墊層下部加水平橫向和鉛直向約束，使其能承受橫向和鉛直向荷載。渡槽總長度為39.9 m，設(shè)置上述約束后，渡槽等效跨度為38 m。

圖2 有限元計(jì)算模型

2.5 控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]要求：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工階段，除應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算外，對預(yù)拉區(qū)不允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件或預(yù)壓時(shí)全截面受壓的構(gòu)件，在預(yù)加力、自重及施工荷載作用下，其截面邊緣的混凝土法向應(yīng)力應(yīng)符合下列條件：

式中，σcc、σct分別為混凝土的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力；f'tk、f'ck分別為混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間為混凝土7天齡期后，混凝土強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%；混凝土彈模不低于設(shè)計(jì)彈模的80%。

根據(jù)《南水北調(diào)中線一期工程總干渠初步設(shè)計(jì)梁式渡槽土建工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(試行)》（NSBD-ZGJ-1-25），槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第7.2.3要求：在任何荷載組合條件下，槽身內(nèi)壁表面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，槽身外壁表面拉應(yīng)力不大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.9倍。槽身采用C50混凝土，其軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為2.0 MPa，所以拉應(yīng)力的容許值為1.8 MPa。此條件要高于條件(1)。采用后者，即施工過程中渡槽內(nèi)側(cè)不許出現(xiàn)拉應(yīng)力，外側(cè)拉應(yīng)力需小于容許值。此條件能保證渡槽內(nèi)壁在施工過程中不會產(chǎn)生裂縫。

3 施工步驟設(shè)計(jì)

3.1 荷載作用步

經(jīng)試算，縱向和環(huán)向鋼絞線不宜同時(shí)加力，故在施工設(shè)計(jì)時(shí)將縱向和環(huán)向鋼絞線進(jìn)行分組、分級張拉?？v向鋼絞線按間隔對稱分兩組：ZQ18——對稱取奇數(shù)組，共18根，包括頂部2根，下部弧段12根，底部4根；ZU17——對稱取偶數(shù)組，共17根，包括頂部2根，下部環(huán)向分布的11根，底部4根。另一種分組方式為：ZD4——頂部4根縱向筋；ZQ12——下部環(huán)向分布12根縱向筋（按間隔對稱取奇數(shù)組）；ZU11——下部環(huán)向分布11根縱向筋（按間隔對稱取偶數(shù)組）；ZB8——最底部8根縱向筋。將環(huán)向鋼絞線按間隔分兩組：HQ28——對稱取奇數(shù)組，共28根；HU27——對稱取偶數(shù)組，共27根。

荷載作用步分15種情況：Load 1：ZQ18施加至控制應(yīng)力的50%；Load 2：ZU17施加至控制應(yīng)力的105%；Load 3：ZQ18施加至控制應(yīng)力的105%；Load 4：HQ28施加至控制應(yīng)力的50%；Load 5：HU27施加至控制應(yīng)力的105%；Load 6：HQ28施加至控制應(yīng)力的105%；Load 7：溫降荷載，溫差3度；Load 8：溫升荷載，溫差3度；Load 9：拆模，施加渡槽自重；Load 10：溫降荷載，溫差 5度；Load 11：溫升荷載，溫差5 度；Load 12：HQ28、ZD4、ZQ12 同 時(shí) 施 加 至控制應(yīng) 力 的50%；Load 13：ZD4、ZU11 施加至控制應(yīng)力的 105%；Load 14：ZQ12施加至控制應(yīng)力的 105%；Load 15：ZB8施加至控制應(yīng)力的105%；

3.2 施工步驟設(shè)計(jì)

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)、施工技術(shù)、施工效率，及經(jīng)過試算，擬定多種施工方案，具體見表1。

表1 施工步驟設(shè)計(jì)表

4 計(jì)算成果

4.1 施工方案Case1～Case4

此四種方案主要模擬先張拉后拆模的施工過程。Case1～Case4下各荷載步渡槽內(nèi)最大、最小主應(yīng)力見表2（應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)）。計(jì)算表明，拆模前加縱向預(yù)應(yīng)力時(shí)，槽身會出現(xiàn)環(huán)向拉應(yīng)力，數(shù)值跨中最小，趨于支座時(shí)，拉應(yīng)力值增大。在縱向鋼絞線施加完后的Step3中，跨中最大環(huán)向拉應(yīng)力為0.206 MPa（出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)），漸變段中部斷面最大達(dá)0.876 MPa（出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)），也是渡槽中的最大拉應(yīng)力。當(dāng)縱向和環(huán)向預(yù)應(yīng)力全部施加完后，槽頂縱向出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大出現(xiàn)在溫降情況下的Step7中，跨中斷面內(nèi)側(cè)的頂部，達(dá)1.17 MPa。但拆模后，此拉應(yīng)力即消失。

如果按在任何荷載組合下，槽身內(nèi)壁表面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)，則所有預(yù)應(yīng)力張拉完成后拆模的方案不能滿足應(yīng)力要求。但若按（1）式的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，本方案可以滿足要求。

4.2 施工方案Case5、Case6

此兩種方案主要模擬張拉中途拆模的施工過程。Case5、Case6下各荷載步渡槽內(nèi)最大、最小主應(yīng)力見表2。Step1～Step3的成果與前相同。拆模后的Step4中，跨中最大環(huán)向拉應(yīng)力為0.348 MPa（出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)），漸變段中部斷面最大達(dá)1.22 MPa（出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)），也是渡槽中的最大拉應(yīng)力。當(dāng)預(yù)應(yīng)力全部施加完后，跨中外側(cè)最大環(huán)向拉應(yīng)力為0.702 MPa，出現(xiàn)在溫降情況下的Step8中。

同樣如果按在任何荷載組合下，槽身內(nèi)壁表面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)，則Case5、Case6方案不能滿足應(yīng)力要求，但若按（1）式的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，則可以滿足要求。

4.3 施工方案Case7、Case8

通過以上計(jì)算得知，單獨(dú)施加縱向鋼絞線拉力將在渡槽內(nèi)側(cè)引起環(huán)向拉應(yīng)力；單獨(dú)施加環(huán)向鋼絞線拉力，將引起縱向拉應(yīng)力?？v向筋引起環(huán)向拉應(yīng)力是局部的，主要在縱向筋布置范圍附近，且支座處大于跨中部位；環(huán)向筋引起縱向拉是全斷面的。計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，在拆模前施加所有縱向和環(huán)向鋼絞線的控制應(yīng)力，渡槽頂部縱向?qū)⒊霈F(xiàn)拉應(yīng)力，渡槽變形呈現(xiàn)拱形。故先加力后拆模的方案不妥。經(jīng)反復(fù)試算，初步確定了Case7、Case8的施工過程，即采用部分張拉后拆模，再完成所有的張拉。

表2 每施工步下渡槽內(nèi)最大和最小主應(yīng)力 單位：MPa

在施工方案Case7、Case8下，各荷載步渡槽內(nèi)最大、最小主應(yīng)力見表2。計(jì)算表明，此方案的施工過程能確保在任何荷載組合條件下，槽身內(nèi)壁表面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，槽身外壁表面拉應(yīng)力（最大出現(xiàn)在Step3擴(kuò)大段中部斷面外側(cè)環(huán)向拉應(yīng)力為0.743MPa）不大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.9倍。

5 結(jié)論

通過分析可得，先張拉部分或全部縱向預(yù)應(yīng)力時(shí)，槽身內(nèi)側(cè)會出現(xiàn)環(huán)向拉應(yīng)力，Case1～Case6的施工過程不能滿足槽身內(nèi)壁表面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。但在（1）式給出的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)下，槽身混凝土的應(yīng)力均可滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求，且 Case1～Case4 略優(yōu)于 Case5、Case6。

Case7、Case8的施工過程能確保在任何荷載組合條件下，槽身內(nèi)壁表面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，槽身外壁表面拉應(yīng)力不大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.9倍，滿足兩種應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)要求，但施工工藝相對Case1～Case6較為復(fù)雜。渡槽是輸水工程中的重要建筑物，為確保渡槽混凝土的施工質(zhì)量，以及考慮到其它不利因素，建議采用Case7、Case8的施工過程。

本文的計(jì)算結(jié)果對設(shè)計(jì)和施工具有一定的指導(dǎo)意義，但實(shí)際渡槽的工作狀況比較復(fù)雜，如實(shí)際溫度的變化、橫風(fēng)荷載、動荷載等因素本文并未考慮，還需作進(jìn)一步的研究。

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