預(yù)應(yīng)力裝配式沉井結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及施工應(yīng)用

朱艷薇 夏秀麗

中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司南京分院 210012

引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，人們對城市環(huán)境的要求越來越高——舒適、便捷、清潔、環(huán)保。基于以上幾點(diǎn)，國家在建筑行業(yè)內(nèi)正逐步推廣預(yù)制裝配式建筑。對于市政行業(yè)來說，因?yàn)轶w量小、不規(guī)則結(jié)構(gòu)形式較多，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用還沒有廣泛開展。

一般來說，頂管工作井、接收井的主要結(jié)構(gòu)形式是沉井結(jié)構(gòu)。沉井施工長期以來采用現(xiàn)場現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，待沉井混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，邊（井內(nèi)）挖土邊下沉，直至到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高，進(jìn)行封底作業(yè)。沉井結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有：不需要額外的支護(hù)結(jié)構(gòu)，就能到達(dá)相對較深的地下空間；整體剛度好；不足之處是施工時(shí)間較長，如位于現(xiàn)狀道路上則會(huì)對城市交通產(chǎn)生較大影響。

為了找尋一種簡單、高效、環(huán)保的沉井結(jié)構(gòu)形式，我們一直在做各種項(xiàng)目試點(diǎn)：2010 年～

2011 年，在南京市城北污水收集系統(tǒng)完善工程和燕路段試點(diǎn)采用裝配式鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力拼裝沉井；2019 年，嘗試采用鋼制裝配式沉井。本文主要就裝配式鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力拼裝沉井做探討。

1 設(shè)計(jì)方案

2010年，南京市城北污水收集系統(tǒng)完善工程和燕路段試點(diǎn)（W13 井、W15 井）采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力拼裝沉井［1，2］，該預(yù)制預(yù)應(yīng)力拼裝沉井預(yù)制部分平面分四塊（兩塊U 型塊，兩塊一字塊），豎向分為三節(jié)，總共12 塊。平面形式如圖1 所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力拼裝沉井平面布置（單位： mm）Fig.1 The layout plan of assembled prestressed sinking well（unit：mm）

U型塊和一字塊之間是現(xiàn)澆帶，內(nèi)設(shè)豎向鋼筋及兩側(cè)預(yù)制構(gòu)件的水平連接鋼筋，沉井結(jié)構(gòu)水平向的止水、傳力，主要靠該現(xiàn)澆混凝土實(shí)現(xiàn)。預(yù)應(yīng)力筋分布在豎向，主要起到豎向拉結(jié)形成整體的作用。立面圖如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)澆帶、 預(yù)應(yīng)力筋立面布置（單位： mm）Fig.2 The elevation layout of post-pouring strips and prestressed bars（unit：mm）

豎向環(huán)與環(huán)之間設(shè)置剪力鍵與遇水膨脹橡膠條，在預(yù)應(yīng)力作用下，各預(yù)制井片聯(lián)系緊密，既提高了橫向拼縫處的抗剪性能，又解決了拼縫處的滲漏問題。

2 受力分析

沉井的計(jì)算主要分為穩(wěn)定計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算。穩(wěn)定計(jì)算主要包括以下幾個(gè)方面：沉井下沉穩(wěn)定計(jì)算、抗浮穩(wěn)定計(jì)算、抗滑移（傾覆）穩(wěn)定計(jì)算。強(qiáng)度計(jì)算包括：施工階段的井壁豎向抗拉強(qiáng)度計(jì)算、下沉階段井壁強(qiáng)度計(jì)算、封底混凝土沖剪驗(yàn)算、底板受力計(jì)算、使用階段井壁強(qiáng)度計(jì)算等。

在穩(wěn)定計(jì)算方面，鋼筋混凝土預(yù)制預(yù)應(yīng)力拼裝沉井與傳統(tǒng)沉井是一樣的；在強(qiáng)度計(jì)算方面，與原整澆鋼筋混凝土沉井相比，預(yù)制沉井的不同在于：井壁豎向抗拉由預(yù)應(yīng)力鋼筋承擔(dān)；水平方向雖然設(shè)置了后澆帶，但截面配筋率并沒有減少，所以水平方向預(yù)制沉井的承載能力與傳統(tǒng)整澆沉井無區(qū)別，同樣滿足實(shí)際需求。

預(yù)應(yīng)力筋為直徑25mm的精軋螺紋鋼，為了避開斷面中間的剪力鍵構(gòu)造，豎向預(yù)應(yīng)力筋布置在結(jié)構(gòu)斷面的內(nèi)外兩側(cè)，兩層豎向筋距離結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)邊緣分別為100mm。鋼筋的錨下張拉控制應(yīng)力為650MPa。

1.預(yù)應(yīng)力損失量

（1）錨具變形和預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl1

（2）預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2

（3）預(yù)應(yīng)力鋼筋的松弛損失σl4

（4）混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5

因此，中間有效預(yù)應(yīng)力

2.預(yù)應(yīng)力筋承載驗(yàn)算

（1）下沉階段，預(yù)應(yīng)力筋受拉驗(yàn)算

考慮下沉階段時(shí)，上環(huán)壁板與下兩環(huán)壁板有脫空可能性，此時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋承受下方兩環(huán)的壁板重力。

n為沉井的豎向預(yù)應(yīng)力筋數(shù)目，其計(jì)算如下：

即預(yù)應(yīng)力筋配置超過6 根就能滿足下沉階段的受拉承載力要求。

（2）正常使用狀態(tài)，壁板豎向正截面受彎承載力驗(yàn)算

沉井壁板豎向預(yù)應(yīng)力筋的布置方案［1，2］如圖3 所示，長邊向豎向預(yù)應(yīng)力筋按內(nèi)外兩側(cè)配置，內(nèi)側(cè)兩邊共12 根，外側(cè)兩邊共10 根。短邊向豎向預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)側(cè)兩邊共4 根，外側(cè)兩邊共8 根，洞口區(qū)域布置在截面中間共12 根。此外在四個(gè)腳點(diǎn)處共配置4 根豎向筋，整體結(jié)構(gòu)總共配置50根豎向預(yù)應(yīng)力筋。

圖3 預(yù)應(yīng)力筋平面布置（單位： mm）Fig.3 The layout of prestressed reinforcement distribution（unit：mm）

正常使用狀態(tài)，封底混凝土、底板已澆筑到位，沉井壁板按三邊固定、頂邊自由的雙向板計(jì)算豎向受力：lx＝6.5m，ly＝5.5m，lx／ly＝6.5／5.5 ＝1.18；井壁外水、土荷載分布為梯形，梯形荷載上部計(jì)算：p1＝10／3 ＋2.5 × 20／3 ＝20kPa；梯形荷載下部計(jì)算：p2＝20 ＋5.5 ×10／3 ＋7.5 ×10 ＝114kPa。

根據(jù)雙向板計(jì)算圖表查得各計(jì)算系數(shù)，豎向彎矩計(jì)算如下（標(biāo)準(zhǔn)值）：豎向支座處（單位長度）Mk＝［0.0562 ×20 ＋0.033 ×（114 －20）］×6.52＝178.5kN·m；豎向跨中處（單位長度）Mk＝［0.037×20 ＋0.0095×（114－20）］×6.52＝69kN·m。

根據(jù)配筋情況，校驗(yàn)沉井平面長方向壁板豎向支座處，正截面受彎承載力是否滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）（2015 年版）第6.2.10 條的規(guī)定：

滿足規(guī)范要求。

3 施工應(yīng)用

施工技術(shù)要點(diǎn)：1）為控制預(yù)制精度，滿足安裝工藝要求，采用節(jié)段匹配預(yù)制技術(shù)；2）單塊預(yù)制板最重26t，選用70t 汽車吊；3）預(yù)應(yīng)力張拉按照對稱均布、先中間后端部的順序進(jìn)行。

拼裝施工工藝如下：下環(huán)沉井預(yù)制片就位→綁扎、焊接現(xiàn)澆帶鋼筋→支?！鷿仓F(xiàn)澆帶C40混凝土→中環(huán)沉井預(yù)制片就位→綁扎、焊接現(xiàn)澆帶鋼筋→上環(huán)沉井預(yù)制片就位→綁扎、焊接現(xiàn)澆帶鋼筋→支模→澆筑現(xiàn)澆帶C40 混凝土→預(yù)應(yīng)力施工，施工過程如圖4 所示。

圖4 鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力拼裝沉井現(xiàn)場Fig.4 The scene of assembled prestressed concrete sinking well

4 結(jié)語

1.鋼筋混凝土預(yù)制沉井的優(yōu)勢是受氣候條件制約小，節(jié)約勞動(dòng)力，可有效提高構(gòu)件質(zhì)量，減少場地占用時(shí)間，綠色環(huán)保。局限性在于，構(gòu)件的體量較大，需要大噸位的起重設(shè)備及一定的操作空間，對于主城區(qū)的狹小道路不能適用，適合應(yīng)用在新建道路或空曠地帶。

2.本次試點(diǎn)鋼筋混凝土預(yù)制預(yù)應(yīng)力沉井?dāng)M合傳統(tǒng)鋼筋混凝土沉井設(shè)計(jì)而成，通過后澆帶和預(yù)應(yīng)力筋將各預(yù)制塊體組合形成整體，共同受力。

根據(jù)計(jì)算及實(shí)際運(yùn)用效果來看，此種結(jié)構(gòu)形式與現(xiàn)澆沉井的工作狀況很接近，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力符合材料的承載力要求，構(gòu)造設(shè)計(jì)滿足使用的要求，具有較好的安全性，既能滿足頂管施工需要，也能作為永久構(gòu)筑物使用。