渡槽預應力鋼絞線布置優化研究

翟利軍，吉曉紅

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州450003）

渡槽工程是大型引調水工程中技術難度最復雜的控制性工程之一，本渡槽采用雙線四槽布置型式，槽底比降1/4 600，渡槽上部結構采用簡支三向預應力混凝土U 形槽。渡槽下部結構為空心墩、混凝土灌注樁基礎，兩槽共用一墩

渡槽預制施工中，對預應力錨索張拉進行了錨索測力計監測，監測數據表明，縱向、環向預應力鋼絞線張拉錨固后，預應力損失值明顯高于設計值，根據渡槽槽身預應力損失后的剩余有效預應力，采用ANSYS 軟件進行了三維有限元計算分析，結果表明渡槽底板迎水面出現了大于1 MPa 的拉應力，不滿足相關要求［1］。本文在不改動原渡槽設計體型的情況下，根據原設計渡槽拉應力分布特性，針對性地擬定多個環向和縱向預應力鋼絞線布置優化方案，通過對比分析，確定了經濟可行的預應力鋼絞線布置優化方案，經有限元計算復核及通水后安全監測資料分析，渡槽能夠滿足應力和變形的各項要求。

1 原設計渡槽結構布置及應力狀態

1.1 原設計渡槽結構布置

渡槽原設計上部結構采用簡支預應力混凝土U 形槽，單槽槽身斷面凈寬8.0 m，凈高7.4 m，槽跨中總高8.3 m，槽端部總高9.2 m。頂部每隔2.5 m 設一0.5 m×0.5 m 的鋼筋混凝土拉桿。槽身壁厚：0.35～0.9 m，混凝土強度等級C50。單槽下部縱向配21 束8Φs15.2 有粘結預應力鋼絞線，上部每側縱向配3 束5Фs15.2 有粘結預應力鋼絞線；單槽環向每0.42 m 布置1 束5Фs15.2有粘結預應力鋼絞線，單槽環向共配71束。

渡槽槽身采用30 m 跨U 型斷面、簡支梁結構，單片槽縱向預應力鋼絞線共27孔，其中槽身底部21孔為8Φs15.2，采用圓形錨具，圓形波紋管；槽身上部6 孔為5Φs15.2，采用扁形錨具，扁形波紋管；環向預應力鋼絞線共71 孔，環向預應力鋼絞線均為5Φs15.2，采用扁形錨具，扁形波紋管；縱向預應力鋼絞線線型為直線，環向為直線+半圓+直線，預應力鋼絞線均采用兩端張拉，全部為有粘結預應力方式［2］。具體布置見圖1所示。

圖1 原設計槽身預應力鋼絞線布置圖（單位：mm）Fig.1 Layout of prestressed steel strand of original design aqueduct body

1.2 計算原理及計算模型

本次計算的數值分析方法采用三維有限元法，模型取一個整跨，基本上采用結構化網格剖分，考慮了預應力鋼絞線的實際作用位置，坐標系采用右手系，x軸方向為垂直于渡槽軸向，y軸方向為高程方向向上為正，z軸方向為渡槽順水流方向。模型共剖分單元115 488 個，節點134 811 個。縱向、環向預應力鋼絞線的作用采用等效荷載法進行模擬，本渡槽采用后張法施工，計算考慮的預應力損失包括張拉端錨具變形和鋼絞線內縮引起的預應力損失σl1、預應力鋼絞線與孔道壁之間摩擦引起的預應力損失σl2、預應力鋼絞線應力松弛引起的預應力損失σl4、混凝土收縮徐變引起的預應力損失σl5。其中張拉端錨具變形和鋼絞線內縮引起的預應力損失采用現場實測值。計算模型及預應力鋼絞線作用位置見圖2和圖3所示。

圖2 渡槽網格剖分圖Fig.2 Grid section of aqueduct

圖3 預應力鋼絞線布置圖Fig.3 Layout of steel strand

1.3 原設計渡槽應力狀態

經各工況計算分析，溫升工況下，渡槽內壁的環向均存在受拉區，設計水位和滿槽水位工況相比，拉應力分布范圍及極值都有所減小，最大環向拉應力從約為0.29 MPa 降至0.17 MPa，但縱向拉應力的分布范圍和極值都有所增大，縱向最大拉應力從0.37 MPa 增大至0.51 MPa。滿槽水位環向拉應力分布見圖4，縱向拉應力分布見圖5。

圖4 渡槽內壁環向應力圖（溫升，滿槽水深）Fig.4 Circumferential stress diagram of aqueduct inner wall（temperature rise，full depth）

圖5 渡槽內壁縱向應力圖（溫升，滿槽水深）Fig.5 Longitudinal stress diagram of aqueduct inner wall（temperature rise，full depth）

溫降工況下，滿槽水位和設計水位下槽身內壁在環向和縱向均受壓，槽身外壁在底部環向受拉，最大拉應力為1.11 MPa和1.26 MPa，槽身外壁在變截面段的直線段部分縱向受拉，最大拉應力為0.70和0.88 MPa。

各工況下，在槽身的端頭底部，均存在較大的橫向拉應力，最大值為3.42 MPa，發生在設計水位組合溫降工況下，不能滿足槽身混凝土的抗裂要求。槽身壓應力的最大值約在-8.0 MPa左右，能夠滿足設計要求。

2 預應力鋼絞線布置優化方案分析

近年專門研究渡槽預應力鋼絞線布置優化的文章不多［3-7］，本文根據原設計渡槽結構監測的實際應力狀態，槽身內壁環向和縱向應力均不滿足技術規定的要求，在盡量不改動原設計體型的情況下，擬定多個針對性的布置優化方案，考慮在環向和縱向優化預應力錨索的數量及位置，達到滿足槽身內壁不出現拉應力的要求。

考慮原設計縱向拉應力和環向拉應力的出現位置均在端頭變截面處，所以對在端頭一定范圍內的環向預應力鋼絞線加密布置，同時調整縱向預應力鋼筋線的位置和數量，增加槽壁直線段和側面圓弧段縱向扁錨，將底部弧線布置的圓錨上抬，經過21種優化方案的有限元計算分析比較，可得如下規律。

（1）加密環向預應力鋼絞線可以解決環向拉應力問題，但是對渡槽縱向受力不利，所以需要同時協調縱向和環向的預應力布置。

（2）對設計水位運行時，相對于滿槽水位而言，由于水壓力對槽身內壁的受壓作用減小，所以設計水位和溫升工況組合后的受力狀態更不利。

（3）由于原設計在槽身內壁的縱向和環向的受拉區域均位于槽身直線段與圓弧段的交界附近，縱向位于端頭變截面處附近，所以在端頭一定范圍內加密環向預應力筋，在直線與圓弧段交界附近加密縱向預應力筋，可以解決其受拉問題。

（4）原設計槽底縱向預應力鋼絞線余度較大，將弧線段布置的預應力鋼絞線對稱減少4 束，直線段布置的預應力鋼絞線對稱減少2束，渡槽仍能滿足槽身內外壁的受力要求。

最終的推薦方案為端頭部位約6.5 m 范圍內對環向預應力鋼絞線加密至約每米3 束，分別在槽壁的直線段與圓弧段增加縱向預應力鋼絞線，具體為渡槽端頭2.83 m 范圍內環向扁錨加密為360 mm 間距，中間間距為450 mm。縱向下部圓錨角度擴大為112度，下層為8根8Φ15.2圓錨，上層為9根8Φ15.2圓錨和2根6Φ15.2圓錨，直墻段最上端布置1根6Φ15.2圓錨，其余4根6Φ15.2圓錨向圓弧段移動［8，9］，詳見圖6。

圖6 優化后槽身預應力鋼絞線布置圖（單位：mm）Fig.6 Layout of prestressed steel strand of aqueduct body after optimization

經過對優化方案進行各工況有限元計算分析，槽身內壁的環向和縱向均受壓，沒有出現拉應力，環向和縱向的壓應力極值分別為-0.03 和-0.14 MPa，壓應力特別是環向壓應力已經接近受拉的邊緣，基本沒有再減少預應力錨索的空間。

3 安全監測資料分析

渡槽采用最終確定的預應力鋼絞線布置優化方案施工［10］，在現場施工和通水期間每榀槽分別在跨中、1/4跨、1/8跨位置布置了監測斷面，槽身監測儀器主要有撓度監測、錨索測力計、鋼筋計、混凝土應變計等。

根據監測結果顯示，渡槽跨中通水前各部位測值基本表現為壓應力，隨著水位的增加，槽身鋼筋應力的變化趨勢為除槽頂兩側部位的縱向鋼筋壓應力小幅增加外，其他部位的鋼筋應力均有不同程度的減小，部分混凝土應力監測特征值見表1所示。渡槽1/4 跨各測點的混凝土的應力通水前均為壓應力，隨著水位的增加，鋼筋應力變化較小，應力表現為壓應力小幅減小或拉應力小幅增加，混凝土應力變化趨勢與鋼筋計應力變化趨勢基本一致。渡槽1/8 跨混凝土應力通水前除部分槽底外壁混凝土承受較小拉應力或壓應力較小外，其他各部位測值均表現為壓應力。隨著水位的增加，槽身直線段、槽底外壁鋼筋應力基本表現為壓應力減小，其他部位表現為壓應力增大，總體變幅較小。槽身端部通水前大部位鋼筋應力均處于受壓狀態，槽底內外壁環向鋼筋計有較小拉應力，混凝土應力大部分為壓應力。隨著水位的增加，基座底部鋼筋應力微量減小，其他部位鋼筋應力有所增大，基座底部壓應力最小。混凝土應力各部位變化趨勢與鋼筋計應力變化趨勢基本一致。

表1 跨中斷面混凝土應力監測特征值 MPaTab.1 Characteristic value of concrete stress monitoring

圖7為跨中斷面渡槽內壁混凝土應力典型測值過程線，監測時間4 a，上面為混凝土應力變化曲線，下面為相應的環境溫度變化曲線，由圖可見運行期間渡槽內壁混凝土均為受壓狀態。另外，錨索測力計在通水期間運行良好，根據錨索測力計監測成果，錨索預應力通水后縱向預應力值有所減小，部分環向預應力略有增大，滿足各項規定。

圖7 混凝土應力測值過程線Fig.7 Concrete stress measurement process line

4 結 論

（1）原渡槽設計方案在實際施工中監測數據表明，縱向、環向預應力鋼絞線張拉錨固后，預應力損失值明顯高于設計值，采用三維有限元計算分析結果表明渡槽迎水面出現拉應力，滿槽溫升工況下槽身端頭變截面處最大環向拉應力為0.29 MPa，最大縱向拉應力為0.37 MPa。設計水位溫升工況下最大環向拉應力0.17 MPa，縱向拉應力0.51 MPa。槽身外壁在底部環向受拉，位于槽身底部變截面和端肋的交界處，在槽身的端頭底部，存在最大值為3.42 MPa的橫向拉應力。

（2）在不改變原渡槽設計體型的前提下，通過優化環向和縱向預應力鋼絞線布置可以完全消除內壁正截面拉應力，底部縱向預應力鋼絞線部分上移，加大底部圓弧段圓錨布置的包角，兩側槽壁每側增加兩束圓錨。渡槽端部環向扁錨加密為360 mm間距，其余間距調整為450 mm，總體增加工程量較少。

（3）采用預應力鋼絞線布置優化方案施工后，從槽身各斷面監測數據看渡槽內壁混凝土應力均處于受壓狀態，渡槽外壁局部出現較小拉應力，錨索預應力通水后縱向預應力值有所減小，部分環向預應力略有增大，均滿足各項規定。渡槽工作狀態良好，保證了渡槽的質量和安全，為類似工程提供了參考。□