混凝土沉沙池緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)與張拉順序優(yōu)化研究

(喀左縣水利局，遼寧 喀左 122300)

1 工程背景

錦凌水庫(kù)是一座以防洪和城市供水為主，兼有改善當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的綜合性大型水利工程，同時(shí)也是遼西重要河流小凌河上的唯一控制性樞紐工程[1]。水庫(kù)的壩址位于錦州市近郊的后山河營(yíng)子村，下游距離錦州市區(qū)約9.5km，水庫(kù)大壩最大壩高48.3m，壩頂高程64.80m，壩長(zhǎng)1148.0m，壩址以上控制流域面積3029km2，占小凌河流域面積的58.8%，設(shè)計(jì)庫(kù)容8.5億m3。

錦凌水庫(kù)供水工程是以錦凌水庫(kù)為水源的供水工程，該工程由錦凌水庫(kù)取水后經(jīng)過(guò)輸水管線輸送到一級(jí)泵站，由一級(jí)泵站加壓后輸送至凈水廠，凈化處理達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)后經(jīng)過(guò)配水管線輸送至市區(qū)。由于小凌河是遼寧省西部的多沙河流，且輸沙量年內(nèi)和年際分布極不均勻，因此需要設(shè)置沉沙池[2]。

2 施工工藝參數(shù)

2.1 沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合設(shè)計(jì)水量、靜止沉淀時(shí)的渾液面沉降速度以及工程運(yùn)行需要，沉沙池設(shè)計(jì)為內(nèi)徑60m的半地下圓形水池，池壁為現(xiàn)澆緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，厚30cm，高3.3m，在池周均勻設(shè)置肋寬為0.3m、弧度為3°的8個(gè)錨固肋，底板和池壁的環(huán)形基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

錦凌水庫(kù)輸水工程的沉沙池為強(qiáng)度等級(jí)C40、抗?jié)B等級(jí)W8的現(xiàn)澆緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，軸心抗壓和抗拉設(shè)計(jì)值分別為19.1MPa和2.39MPa，泊松比為0.21，彈性模量為32.5GPa。沉沙池的底板和池壁的環(huán)形基礎(chǔ)為C30鋼筋混凝土，軸心抗壓和抗拉設(shè)計(jì)值分別為14.3MPa和2.01MPa，泊松比為0.21，彈性模量為30.0GPa。沉沙池底板下為厚度10cm的C30混凝土墊層，軸心抗壓和抗拉設(shè)計(jì)值分別為5.1MPa和0.90MPa，泊松比為0.21，彈性模量為17.5GPa。為了使沉沙池的池壁與底部基礎(chǔ)斷開，以抵抗內(nèi)水壓力的向外擴(kuò)張作用，池壁與混凝土環(huán)形基礎(chǔ)之間設(shè)置厚度10mm的橡膠墊片。

沉沙池的預(yù)應(yīng)力筋為52束直徑15.2mm的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用環(huán)向均布設(shè)計(jì)，包角為90°，每匝4段，上下層錯(cuò)肋布置。張拉控制應(yīng)力為1302MPa。布置見圖1。

圖1 池壁預(yù)應(yīng)力筋布置

2.2 預(yù)應(yīng)力筋關(guān)鍵施工工藝

沉沙池工程用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，在出廠時(shí)已經(jīng)將兩端包裹嚴(yán)實(shí)，因此，運(yùn)輸過(guò)程中要做好必要的防護(hù)措施，避免表皮破損[3]。在張拉過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)該按照張拉設(shè)備下料、準(zhǔn)確定位、兩端張拉，使筋體和錨具相互配合，形成完整的防水系統(tǒng)[4]。為了防止沉沙池的池壁產(chǎn)生早期收縮裂縫，在池壁混凝土具有一定強(qiáng)度時(shí)，需要對(duì)預(yù)應(yīng)力筋采用初應(yīng)力張拉預(yù)緊，如沒(méi)有特別需要，不得進(jìn)行超張拉[5]。緩黏結(jié)筋則需要按照預(yù)先設(shè)定的張拉順序進(jìn)行張拉，完畢后進(jìn)行統(tǒng)一錨固。張拉過(guò)程中，應(yīng)該小心操作，防止預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生斷裂或脫滑。

2.3 預(yù)應(yīng)力筋張拉順序計(jì)算方案

根據(jù)沉沙池設(shè)計(jì)要求，其在運(yùn)行期間不能出現(xiàn)任何裂縫[6]。鑒于緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力沉沙池在施工過(guò)程中進(jìn)行的預(yù)應(yīng)力筋張拉作業(yè)會(huì)引起池壁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的顯著變化，且與水池正常運(yùn)行過(guò)程中的內(nèi)力分布存在顯著差異，因此選擇合適的張拉順序是十分必要的。本次研究的錦凌水庫(kù)輸水工程沉沙池的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋共13組52根，每4根為一組形成一環(huán)，相鄰兩組之間的豎向距離為25cm，結(jié)合沉沙池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與施工要求，提出如下兩種不同的張拉順序方案以備選擇。方案一，從池壁的最上層預(yù)應(yīng)力鋼筋束開始張拉，自上而下順次完成各組預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉；方案二，從池壁的最下層預(yù)應(yīng)力鋼筋束開始張拉，自下而上順次完成各組預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉。

3 張拉方案甄選

3.1 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

研究中利用ANSYS進(jìn)行沉沙池結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建，通過(guò)模擬兩種不同張拉方案下沉沙池結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，獲取最佳張拉順序[7]。鑒于混凝土和鋼筋在物理力學(xué)性能上存在顯著區(qū)別，因此池壁、池底和基礎(chǔ)等混凝土部分采用Solid45單元模擬，緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋則采用Link180單元進(jìn)行模擬，并利用軟件中的節(jié)點(diǎn)耦合技術(shù)建立兩者之間變形協(xié)調(diào)關(guān)系[8]。對(duì)于沉沙池的地基土體，按照沉沙池結(jié)構(gòu)直徑的2倍，也就是120m范圍實(shí)際土體分層建模。建模完成后的數(shù)值計(jì)算模型共包括135235個(gè)計(jì)算單元、145876個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)(見圖2)。

圖2 有限元模型

在預(yù)應(yīng)力筋的張拉施工過(guò)程中，池壁混凝土始終處于彈性階段，因此池壁混凝土采用單軸受壓、受拉本構(gòu)關(guān)系；鑒于預(yù)應(yīng)力筋始終處于受拉狀態(tài)，因此采用無(wú)屈服點(diǎn)鋼筋本構(gòu)關(guān)系。在確定模型的邊界條件時(shí)，考慮周圍土體的影響，底部的土體表面采用全自由度約束，周邊土體采用徑向自由度約束。

由于研究的沉沙池為圓形結(jié)構(gòu)，其環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力分布并不均勻，且會(huì)隨著時(shí)間的增加而衰減，計(jì)算過(guò)程中必須要考慮各種因素造成的預(yù)應(yīng)力損失。因此，在利用構(gòu)建的有限元模型計(jì)算中采用降溫法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加，對(duì)每個(gè)鋼筋單元節(jié)點(diǎn)全部施加溫度荷載，且不同的節(jié)點(diǎn)施加不同的荷載。同時(shí)，在施加過(guò)程中考慮預(yù)應(yīng)力筋的收縮、松弛、錨具變形以及混凝土收縮等各種因素造成的預(yù)應(yīng)力損失。

3.2 環(huán)向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對(duì)不同張拉順序下沉沙池池壁混凝土環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見圖3～圖6。由圖3和圖4可知，在方案一條件下，隨著預(yù)應(yīng)力筋自上而下逐步張拉，沉沙池的池壁逐步建立起環(huán)向應(yīng)力，并隨著張拉組數(shù)的增加而增大，在13組預(yù)應(yīng)力筋全部張拉完畢后，池壁為受壓狀態(tài)。由圖5和圖6可知，方案二條件下的環(huán)向應(yīng)力變化與方案一基本一致，隨著預(yù)應(yīng)力筋自下而上逐步張拉，沉沙池的池壁逐步建立起環(huán)向應(yīng)力，并隨著張拉組數(shù)的增加而減小，在13組預(yù)應(yīng)力筋全部張拉完畢后，池壁為受壓狀態(tài)。但是，方案二為自下而上進(jìn)行張拉，因此，張拉開始后沉沙池的底部首先建立起預(yù)應(yīng)力，且與方案一相比偏小0.1MPa左右。同時(shí)，方案一與方案二相比施工更為方便。因此在張拉施工中推薦方案一，也就是按照自下而上的順序進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的張拉。

圖3 方案一池壁外表面環(huán)向應(yīng)力變化曲線

圖4 方案一池壁內(nèi)表面環(huán)向應(yīng)力變化曲線

圖5 方案二池壁外表面環(huán)向應(yīng)力變化曲線

圖6 方案二池壁內(nèi)表面環(huán)向應(yīng)力變化曲線

4 張拉結(jié)構(gòu)受力分析

對(duì)方案一條件下預(yù)應(yīng)力筋張拉施工完成后的池壁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得池壁環(huán)向應(yīng)力沿高度變化的曲線(見圖7)。由圖7可知，沉沙池內(nèi)壁和外壁的環(huán)向應(yīng)力均隨著高度的增加而逐步增大。從具體數(shù)值來(lái)看，沉沙池底部的內(nèi)外表面環(huán)向應(yīng)力值相同，均為-1.81MPa，沉沙池頂部的內(nèi)外表面環(huán)向應(yīng)力值比較接近，分別為-1.71MPa和-1.68MPa。此外，池壁的內(nèi)外表面環(huán)向應(yīng)力值均在高度為1.96m的部位出現(xiàn)較大波動(dòng)，原因是該位置設(shè)置有“U”形蓄水槽，導(dǎo)致該部位的慣性矩較大。總體而言，沉沙池池底的環(huán)向應(yīng)力值較大，可以為后期的運(yùn)營(yíng)提供必要的保障。

圖7 池壁環(huán)向應(yīng)力沿高度變化曲線

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，獲得池壁斷面豎向應(yīng)力分布(見圖8)。由圖8可知，在張拉施工完成后，受到預(yù)應(yīng)力筋的作用，沉沙池的池壁產(chǎn)生豎向彎曲效應(yīng)，內(nèi)表面受拉應(yīng)力作用，且隨著高度的增加先減小后增大，最終趨于平穩(wěn)；外表面受壓應(yīng)力作用，且隨著高度的增加先增大后減小，最終趨于平穩(wěn)。在張拉施工過(guò)程中，沉沙池池壁所受到的整體應(yīng)力遠(yuǎn)大于-4.78MPa的開裂驗(yàn)算結(jié)果，不會(huì)出現(xiàn)裂縫。同時(shí)，施工中采用的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和自上而下的張拉施工方案安全滿足施工要求，也從側(cè)面驗(yàn)證了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在沉沙池設(shè)計(jì)施工中的可行性與適用性。

圖8 池壁豎向應(yīng)力沿高度方向變化曲線

5 結(jié) 論

本文以遼寧省錦凌水庫(kù)沉沙池為例，研究了混凝土沉沙池緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)與張拉順序，主要結(jié)論如下：結(jié)合沉沙池池壁現(xiàn)澆緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的施工要求，提出兩種不同的預(yù)應(yīng)力筋張拉方案，兩種方案相比，自上而下的張拉施工順序不僅便于施工，還可以有效減少預(yù)應(yīng)力損失，為最佳施工方案；自上而下的張拉施工方案的結(jié)構(gòu)受力分析顯示，該方案安全滿足施工要求，同時(shí)驗(yàn)證了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在沉沙池設(shè)計(jì)施工中的可行性與適用性。