預應力技術在洪藍船閘閘室底板整體澆筑中的應用

張志寧　蘇超　楊一奇

摘 要：軟基上塢式閘室為避免在底板中部上表面的拉應力超標所產生的混凝土裂縫，多采用“墩底分澆、預留寬縫、后期封合”的結構措施，這種措施若新老混凝土接觸面處理不好會產生人為裂縫，另外會增加施工處理程序，影響施工速度。本文提出應用預應力技術減小拉應力、防止閘室底板裂縫，采用瞬變溫度場理論和徐變應力理論對洪藍船閘閘室施工過程進行仿真分析，設計預應力參數，工程應用實踐取得了滿意的研究成果。

關鍵詞：塢式閘室，底板，預應力，整體澆筑

中圖分類號：U641.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）4-0068-03

軟基上塢式閘室在側墻自重荷載和回填土邊荷載共同作用下，底板中部上表面會產生較大的橫河向拉應力。為了避免由于拉應力超標而產生底板混凝土裂縫，在上個世紀90年許多學者研究采用預留寬縫的結構形式。傅作新等通過試驗和理論研究和現場測試，驗證了大型船閘分縫施工方案的可行性，為安全而經濟地設計軟基上的大型船閘提供了成功經驗和科學依據；周清華等采用Biot固結理論和鄧肯—張E—μ本構模型驗證了原型觀測資料得出的結論；劉曉平等研究比較了土基和巖基上塢式結構船閘閘首或閘室底板預留寬縫施工方法的效果，對預留寬縫的施工提出了建議；朱慶華等對寬縫的位置和封鉸時間進行多方案的數值模擬，以寶應船閘標準段閘室結構為研究對象，分析土基上船閘結構底板預留寬縫施工方法的效果，論證了封絞時間及寬縫位置對塢式結構內力狀態的影響；蘇超等采用粘彈性地基模型分析了閘室底板的分縫效應及結構的應力分布特征。在研究過程中也發現了寬縫的不利影響，陳璐等結合江蘇省土基上的船閘工程實例，分析分縫施工的塢式結構底板的受力情況，對底板底層鋼筋保護層在施工寬縫周圍的防裂問題提出建議。寬縫本身就是人為混凝土結合面，若施工處理不當也會造成混凝土裂縫；本文研究擬通過預應力技術減小塢式閘室底板中部上表面的混凝土拉應力，達到底板整體澆筑的目的，避免結構上的人為缺陷，提高船閘施工的效率。

1 工程概況

洪藍船閘閘址位于秦淮河流域與石臼湖流域分水嶺南側，船閘級別為Ⅳ級，設計最大船舶噸級為500噸，船閘建設規模采用180×18×4（m）。考慮防洪要求為50年一遇，堤防等級為二級，水工通航建筑物等級劃分如下：上閘首、下閘首、閘室按2級水工建筑物設計；導航墻、靠船墩、護岸按3級水工建筑物設計，臨時工程按4級水工建筑物設計。

閘室底板地基水文地質條件較為復雜，根據現有鉆孔資料，土質均為全風化或強風化砂巖，采用整體式結構和輔助預應力設計，圖1為閘室結構簡圖。

2 計算方法、計算參數和計算模型

采用瞬變溫度場和徐變應力場理論計算閘室混凝土內部的溫度和應力分布，根據洪藍船閘的實際情況和試驗結果，計算選取參數如下：

（11）環境溫度：根據南京市多年月平均氣溫值，考慮日照等因素的影響等因素，氣溫變化曲線可由下式表示。

由于閘室結構和受力均是對稱，取1/4閘室計算。有限元計算模型見圖2，其中模型節點數為：113139，單元數為：104390。

施工過程模擬如下：

（1）2017.5.30～2017.7.30澆筑底板；

（2）2017.8.15澆筑倒角；

（3）2017.11.15澆筑閘室墻；

（4）2018年4月29日澆筑二期混凝土。

3 閘室結構施工期應力分布

采用瞬變溫度場和徐變應力場理論計算閘室混凝土內部的溫度和應力分布，圖3給出了閘室底板最大橫河向應力分布圖，可見拉應力達1.74MPa，根據中國水利水電科學院的實驗結果，朱伯芳等給出了混凝土軸向抗拉強度的推薦公式：

4 預應力參數設計

從圖3可以看出，較大的橫河向拉應力發生在底板中間上部區域，且分布相對均勻，鋼絞線的布置只要均勻分布底板上部區域即可，圖4給出了底板橫河向預應力布置圖。預應力束采用15.2預應力高強鋼絞線，公稱面積為139.4mm2，其標準強度為=1860MPa，張拉控制應力考慮=0.65。建議底板處10束，每束采用4根預應力鋼絞線。根據結構中應力的發展時程數據分析，底板處預應力在閘室墻澆筑和回填土填筑之前進行張拉，張拉力值每束為674 KN，采用單邊張拉方式進行預應力施工。

5 預應力施加效果

圖5給出了閘室底板施加預應力后，橫河向閘室應力計算結果，底板在施加預應力之后，橫河向的應力由沒有施加預應力的1.74MPa降到1.48MPa，可以得出，施加預應力可以顯著降低閘室結構的拉應力，避免產生溫度裂縫。

6 結論

通過三維有限元仿真計算，底板中部存在較大的橫河向拉應力，量值達1.74MPa，存在混凝土發生裂縫的風險；較大的拉應力產生的主要原因是閘室墻自重和回填土邊荷載作用。通過施加預應力可以實現混凝土底板整體澆筑，對防治混凝土底板裂縫效果明顯。仿真計算方法可以清晰地反應閘室內混凝土應力變化規律，對預應力錨索的布置、預應力參數設計及張拉程序安排提供了有效的理論分析工具。

參考文獻：

[1]傅作新. 大型船閘和水閘底板設計和施工中的幾個問題[J]. 水運工程， 1993（1）：37-42.

[2]陳璐， 王核. 分縫施工的塢式結構底板設計探討[J]. 水運工程， 1999（9）：35-38.

[3]周清華， 邊立明， 徐澤中. 墩底分澆式船閘閘首底板算法研究[J]. 水運工程， 2003（1）：43-46.

[4]劉曉平， 曹周紅， 楊錫安，等. 巖基上塢式船閘結構底板預留寬縫施工方法效果分析[J]. 長沙理工大學學報（自然科學版）， 2006， 3（3）：61-64.

[5]劉曉平， 曹周紅， 桑雷，等. 不同地基塢式船閘結構底板預留寬縫施工方法效果分析[J]. 水力發電學報， 2007， 26（3）：54-58.

[6]朱慶華， 康立榮， 秦忠國. 船閘閘室的施工優化研究[J]. 中國水運月刊， 2016， 16（3）：239-242.

[7] 蘇超， 姜弘道， 譚恩會. 黏彈性基礎梁計算方法及其應用[J]. 河海大學學報， 2000， 28（5）： 101-105.

[8]蘇超， 姜弘道， 譚恩會. 軟基上結構仿真計算方法及其應用[J]. 河海大學學報自然科學版， 2000， 28（4）：23-28.