引松供水工程大直徑無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力涵管三維有限元仿真分析

薛興祖

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130021)

吉林省中部城市引松供水工程是從第二松花江豐滿水庫引水，解決吉林省中部地區(qū)城市供水的大型跨流域調(diào)水工程。輸水干線線路全長263.45km；其中，隧洞長133.98km，管線PCCP(鋼管、現(xiàn)澆涵)長129.47km。輸水總干線及下游的長春干線，全程采用自流有壓輸水方式[1]。

總干線在飲馬河-石溪河段(樁號73+411～99+703m)隧洞直徑5.1m，地貌為波狀臺地和丘陵，埋深較淺，僅為7～18m，成洞條件極差；這就不可避免要采用洞、管(涵)交替布置。為了避免雙管和單洞交替出現(xiàn)的情況，需選用內(nèi)徑5.1m的管道，并且這4段管承受的內(nèi)水壓力為0.5～0.55MPa?？紤]到直徑5.1m的PCCP管，我國還沒有工程實例；且運輸這么大直徑PCCP管的大型設(shè)備尚依賴于進口，整套技術(shù)的不確定因素太多。所以，最終確定采用“內(nèi)圓外城門洞型”的現(xiàn)澆無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土涵管結(jié)構(gòu)方案[2- 3]。

中部供水工程現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵中HD(內(nèi)水頭與管內(nèi)徑的乘積)最大值為280.5,這與國內(nèi)經(jīng)驗認為HD在100～300時宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土管的意見是吻合的，但是在此范圍內(nèi)數(shù)值接近上限。在預(yù)應(yīng)力涵方面，東深供水改造工程采用了2根現(xiàn)澆無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力圓涵，單根直徑4.8m，最大內(nèi)水壓力0.3MPa，覆土深度6.6m[4- 5]。內(nèi)徑5.1m的大型現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵管的實際工程應(yīng)用目前在國內(nèi)尚屬首例，最大內(nèi)水壓力0.55MPa，最大覆土深度18m；現(xiàn)澆混凝土預(yù)應(yīng)力涵的結(jié)構(gòu)安全是吉林引松供水工程的重大關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

對于預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析，目前以有限元分析為主[6- 8]，重大工程也采用了結(jié)構(gòu)模型試驗方法[9]。本文以結(jié)合引松供水工程中的大型無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力涵管的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用三維有限元方法對預(yù)應(yīng)力涵管結(jié)構(gòu)進行仿真分析，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性、合理性；全面獲得了單排預(yù)應(yīng)力錨索張拉主要影響范圍以及涵管結(jié)構(gòu)在各種工況下的變形特征和應(yīng)力分布。研究成果表明，根據(jù)三維有限元計算結(jié)果，建議采用300mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線間距、6根鋼絞線布置方案；預(yù)應(yīng)力管涵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力可滿足設(shè)計要求，管壁結(jié)構(gòu)整體變形較小。鋼絞線張拉影響范圍為2m左右。

1 工程概況

吉林引松工程位于吉林省中部，工程的供水范圍為長春市、四平市、遼源市及所屬的九臺市、德惠市、農(nóng)安縣、公主嶺市、梨樹縣、伊通縣、東遼縣、長春雙陽區(qū)等11個市、縣、區(qū)的城區(qū)，以及供水線路附近可直接供水的26個鎮(zhèn)。

圖1 預(yù)應(yīng)力涵橫斷面圖(樁號86+720)

1.1 地質(zhì)條件

輸水線路總體走向由北東向南西，地勢東南高西北低。沿線山勢連綿起伏，植被發(fā)育，山體走向NE。洞線穿越的山峰一般海拔500～700m，最高776.5m。河谷一般高程200～300m，相對高差一般100～200m，最大540m。地貌單元按形態(tài)可劃分為中低山丘陵(Ⅲ)、波狀臺地(Ⅱ)及河流漫灘階地(Ⅰ)。線路飲馬河(71+800)以東以中低山丘陵為主，飲馬河及雙陽河(84+000)一帶以波狀臺地為主，過金大山(96+000)后線路又以低山丘陵為主。

斷裂構(gòu)造方向以NE和NW為主，斷裂構(gòu)造多有繼承性和復(fù)合型的特點。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

地下水為孔隙潛水，埋深淺，地下水位高程225.8～226.7m。按設(shè)計底板高程，持力層依次為黏粘性土含砂礫石、全風(fēng)化礫巖。強度及變形滿足設(shè)計要求。

表1 地質(zhì)建議設(shè)計指標(biāo)一覽表

圖2 預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

中部供水工程采用“內(nèi)圓外城門洞”型式的無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力圓涵；內(nèi)徑5.1m，頂部和側(cè)壁厚度為0.45m，底部厚度為0.8m；單節(jié)長度為12m；混凝土采用C40W10F200。

預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強度無粘結(jié)低松弛1860級6×φ15.2鋼絞線，無粘結(jié)鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強度為1860MPa，每根鋼絞線公稱直徑為15.20mm，公稱截面面積140mm2，破壞荷載(單根)Fm=260kN，彈性模量為1.95×105MPa。鋼絞線采用對錨形式(如圖2所示)。

每米涵長配置的環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積Ap，按抗裂控制，依下式進行初步估算：

(1)

式中，σpe—預(yù)應(yīng)力鋼絞線有效應(yīng)力，MPa，可按σpe=0.8σcon初估；σcon—無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力，MPa；Phd—設(shè)計內(nèi)水壓力，MPa；r1、r2—預(yù)應(yīng)力孔道圓弧半徑、圓涵內(nèi)半徑，m；c—系數(shù)，可取1.5～2.0。

經(jīng)計算可得到預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積應(yīng)為2627mm2；這樣共有5種布置方案，具體見表2。

表2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線配置方案表

2 預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)有限元仿真

采用大型商業(yè)程序ABAQUS作為預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)的仿真分析工具。選擇300、400、500mm三種間距方案進行對比研究。

2.1 有限元模型和計算參數(shù)

根據(jù)圖1、2所示的土層分布以及預(yù)應(yīng)力混凝土涵管結(jié)構(gòu)布置，建立了三維有限元模型。圖3所示為預(yù)應(yīng)力涵管的三維結(jié)構(gòu)模型；圖4所示為土體和預(yù)應(yīng)力涵管結(jié)構(gòu)三維整體數(shù)值分析模型。建立模型的時候，軸線方向按照預(yù)應(yīng)力鋼絞線的間距進行劃分，300mm間距時，軸線方向劃分為40段，即為一節(jié)涵管的長度12m。圖3、4所展示是按照表2中300mm間距建立的有限元模型。

圖3 預(yù)應(yīng)力涵管結(jié)構(gòu)模型

圖4 土層和預(yù)應(yīng)力涵管整體模型

圖5所示為按300mm間距布置的預(yù)應(yīng)力鋼絞線；圖6所示為所有的普通鋼筋。普通鋼筋外圈采用Φ12(Ⅱ級鋼筋)間距120mm，內(nèi)圈采用Φ12(Ⅱ級鋼筋)間距150mm配置。普通鋼筋外圈采用Φ18(Ⅱ級鋼筋)間距100mm，內(nèi)圈采用Φ18(Ⅱ級鋼筋)間距100mm配置。分布筋采用Φ12(Ⅱ級鋼筋)間距200mm。

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼絞線(300mm間距，對錨)

預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉完成后，根據(jù)有效預(yù)應(yīng)力計算結(jié)果可得預(yù)應(yīng)力鋼絞線對孔道的徑向擠壓力，同時注意預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土孔道壁的相對運動趨勢，進而確定預(yù)應(yīng)力鋼絞線對混凝土孔道壁所產(chǎn)生的切向拖拽力。鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力沿程分布如圖7所示。采用降溫法模擬鋼絞線的預(yù)應(yīng)力。

圖7 鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力沿程分布

2.2 預(yù)應(yīng)力錨索張拉影響范圍

從理論上說，單節(jié)涵管端部的預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉也會中心部位的變形產(chǎn)生疊加效應(yīng)。這里主要是從影響程度要判定預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉硬性范圍。具體方法如下：從單節(jié)涵管的中部開始張拉鋼絞線，然后，對稱往左右兩側(cè)推進張拉直至端部(如圖8(a)所示)。

圖8 預(yù)應(yīng)力錨索張拉影響范圍

圖9給出了3種間距方案下張拉過程中的變形占所有預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉完成后的總變形的比例變形特征曲線。從圖9(a)可以看到，中心部位的預(yù)應(yīng)力鋼絞線完成張拉后，其產(chǎn)生的變形占總變形的47.16%；隨著左右兩側(cè)的鋼絞線漸次張拉，變形也逐漸增加；距離中心部分超過2.1m之后的預(yù)應(yīng)力鋼線張拉對中心部位的變形影響趨緩；此時的變形已超過最終總變形的98%；距離中心為3m的預(yù)應(yīng)力鋼線完成張拉后，中心部位的變形量已達到最終穩(wěn)定變形的99.45%。圖9(b)和圖9(c)也有類似的規(guī)律。

圖9 中心部位變形隨鋼絞線張拉的發(fā)展過程

2.3 預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)受力與變形特征

在模擬預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)的澆筑和鋼絞線張拉之后，進行土體的填筑模擬；之后，進行內(nèi)水壓力的模擬。圖10給出了預(yù)應(yīng)力鋼絞線完成張拉后，涵管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的增量變形。可以看到，涵管結(jié)構(gòu)的變形以水平變形為主，且呈對稱分布特征；水平最大變形量值為1.473mm，指向涵管中心。豎向最大變形出現(xiàn)在涵管頂部，為0.448mm，方向為豎直向下；涵管底部的豎向變形為0.042mm，方向為豎直向上。

圖11為預(yù)應(yīng)力鋼絞線完成張拉后，涵管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖。可以看到，混凝土涵管結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力為9.9MPa，最大拉應(yīng)力為2.72MPa。圖12a為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的受力分布，可以看到，其與圖7所示的有效預(yù)應(yīng)力分布特征。圖12b為普通鋼筋的受力云圖。鋼筋最大壓應(yīng)力為55MPa左右，出現(xiàn)在拱腰部位外圈鋼筋和拱座底部和拱頂?shù)膬?nèi)圈鋼筋。

表3 不同工況下預(yù)應(yīng)力涵管結(jié)構(gòu)增量變形與應(yīng)力值(3種間距方案)

圖10 預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)增量變形(張拉工況)

圖11 預(yù)應(yīng)力涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(張拉工況)

圖12 涵結(jié)構(gòu)增量變形(張拉工況)

表3給出了300、400、500mm三種預(yù)應(yīng)力鋼絞線間距方案在不同工況下的結(jié)構(gòu)變形和受力特征。其中，特征點A和B分別為涵管左右兩側(cè)拱腰，C點為頂拱部位，D為拱底。可以看到，當(dāng)間距增大時，為確定預(yù)應(yīng)力鋼絞線的面積不變，預(yù)應(yīng)力鋼絞線根數(shù)需要增加，這樣會加劇局部的應(yīng)力集中，混凝土結(jié)構(gòu)不利。經(jīng)綜合比較，建議按300mm、6根鋼絞線方案實施。

3 結(jié)語

根據(jù)三維有限元計算結(jié)果，建議采用300mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線間距、6根鋼絞線布置方案；預(yù)應(yīng)力管涵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力可滿足設(shè)計要求，管壁結(jié)構(gòu)整體變形較小。鋼絞線張拉影響范圍為2m左右?？紤]有限元法分析中應(yīng)力集中程度受單元形態(tài)等影響，以及鋼絞線預(yù)應(yīng)力沿程損失的計算存在假定，后續(xù)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型試驗相關(guān)的測試成果進行綜合研究。