预应力体系在船闸坞式闸室中的有益效果

席荣

摘 要：本文结合颍上船闸工程的具体应用，介绍在高边墩高填土船闸坞式闸室中所采用的U型预应力索坞式结构体系。该

体系应用具有受力良好、压应力储备高、裂缝产生少、施工期水化热较小，可有效降低造价等优越性。

关键词：坞式闸室 U型预应力 索坞式结构

高边墩高填土船闸闸室坞式结构体系是指闸室侧墙高度与闸室宽度比大于1.0的结构体系；目前在这一结构体系中都是采用钢筋混凝土结构。但是坞式闸室由于墙后填土较高、土压力较大，需要配置大量的钢筋，当闸墙高度或底板宽度加大时，需要通过加大钢筋用量来保证强度，结构经济性差；同时采用普通钢筋的混凝土结构，其混凝土始终处于受拉状态，频繁出现裂缝，且裂缝宽度难以满足规范要求。预应力混凝土结构充分发挥混凝土抗压强度高和钢筋抗拉强度大的优点，使得高强度钢材在混凝土中的应用成为可能，增强混凝土结构的受力性能，减少工程中的钢筋用量，减少了结构中混凝土的开裂现象，降低工程投资。

沙颍河颍上船闸工程中提出预应力闸室结构设计，预应力钢筋在坞式闸室结构中呈“U”布置，在使用前预先施加永久内力，使预应力筋中的拉应力和混凝土中的压应力组成一个自平衡系统，充分发挥混凝土抗压强度高和钢筋抗拉强度大的优点，减少闸室结构的拉应力，甚至在闸室内保持一定的压应力储备，有效地控制闸室结构的开裂。并且预应力的使用，减少了混凝土及钢筋的用量，既降低了由于大体积混凝土温度应力引起的裂缝，同时也降低了工程的总造价，具有重要的社会、经济和工程效益。

颍上船闸工程按Ⅳ级标准设计，图1为闸室结构图，闸室采用预应力钢筋混凝土坞式结构，净宽12米，边墙顶标高29.35米，底板顶高程14.0米，底板厚度2.2米，总高度16.8米。图2为采用ANSYS软件中三维杆单元LINK8模拟完建以后闸室结构的预应力钢筋模型，LINK8单元有着广泛的工程应用，该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能比如：桁架、缆索、连杆、弹簧等。

闸墙背土压力荷载计算

对于挡土墙或闸室墙体等挡土结构，在设计过程中，对于设计人员来说，一般都按照规范中所定的土压力荷载计算方法进行计算。如主动土压力的计算，对无粘性多层土，第n层土的土压力合力可按式（1）计算，

（1）

其土压力合力的水平分力和土压力合力的垂直分力可分别按式（2）和式（3）进行计算，

（2）

（3）

式中，En——第n层土的土压力合力；e′n，e″n——分别为第n层土上、下端处单位面积土压力强度；

e′nx，e″nx——分别为第n层土上、下端处单位面积土压力的水平分力强度；hn——第n层土的厚度；？琢——折线墙背与垂线的夹角，仰角为正值，俯角为负值；Enx，Eny——分别为第n层土土压力合力的水平分力和垂直分力。

在工程实际中，挡土结构如闸墙墙背填土是在施工过程中逐级回填压实的一种加荷过程，不仅荷载不断增加，而且结构本身也在逐渐扩大，即填土体在加高。填土逐级加高的计算位移，与填土体完全形成荷载突然施加所产生的位移是不同的。这就给土压力荷载的计算增大了难度，也提高了计算的复杂性，往往一种单纯的计算模型很难得到比较精确的结果。

因此在本项目中，建立计算模型时考虑墙背回填土直接参与计算。利用数值仿真模型计算的优势，采用计算网格的增减模拟填土逐级加高的过程，并充分考虑已填筑的土体应力和新回填土体的初始应力，建立三维的数值仿真计算模型，来计算土体对结构体的土压力荷载，在此基础上得到较精确的结构变形和应力分布情况。

采用ANSYS有限元程序[3-4]建立三维空间模型，土体采用Drucker-Prager理想弹塑性模型，土体参数根据工程现场土体试验获取，根据施工过程中闸室侧墙及回填土的施工进度建立施工过程分析模型。土体与闸室结构间根据两种不同材料的参数建立接触单元，模拟土体与结构间的相互作用，根据计算结果提取土体对闸室侧墙的土压力数据，并与现场埋设土压力计实测数据进行比较。计算模型如图3所示。

图4和图5为闸墙施工完成后墙背填土X方向和Y方向应力云图。图6为三维仿真分析结果提取的土压力数据与现场实测土压力数据对比曲线图。三维仿真分析结果提取的土压力数据与现场实测土压力数据对比曲线看，仿真计算所得的土压力反映了实际土压力的趋势，与实测值较为接近，而根据规范方法计算所得的土压力值与实测的土压力相差较大，变化趋势也有区别。从而表明本文采用三维空间模型考虑土体与结构的相互作用所得的土压力能够反映实际工程中结构的受荷方式和大小，相比之下计算精确度有一定的提高，也为后续高边墩预应力坞式闸室结构的分析提供了有效的保证。

预应力坞式闸室与普通钢筋混凝土闸室结构比较分析

闸室结构有分离式和整体式两种型式，一般据地质条件、水头大小、填土高度等因素综合确定。一般情况下，地质条件好，水头差不大时，选择分离式结构，反之地质条件差，水头差较大时，选择整体式结构。

颍上船闸以粉质粘土和粉土为主，其间夹杂着淤泥质粘土和细砂层等，闸室基底下地基持力层即粉质粘土的容许承载力仅为140～180KPa，另外船闸上、下游通航水位差值达到10.13m，墙后填土高度达16.8m，在这种条件下，坞式（即整体式）闸室结构是最合理的选择。

预应力混凝土坞式闸室与钢筋混凝土坞式闸室在外部受力条件上是一致的，都属于弹性地基上的U型结构，只不过配筋的方式不同。钢筋混凝土坞式闸室在配筋设计时，要控制裂缝的开展宽度，当闸墙较高时，即高宽比大于1.0时，闸室底板与侧墙以正弯矩为主，这样闸墙需配置多层钢筋，且不易满足裂缝开展宽度的要求，使得结构钢筋易受外部污染水质的侵蚀，影响结构的使用寿命，再者整个结构的尺寸也比预应力混凝土闸室大一些。而预应力混凝土坞式闸室充分利用高强钢绞线的特性，使得闸室在各种工况下，结构各部位均在压应力状态下，彻底克服了污染水质对钢筋的侵蚀，极大地提高了结构的使用寿命，且受力条件更加合理。

根据考虑了土体及施工过程的三维空间模型进行仿真分析，获取作用于闸室侧墙墙背的土压力，并与工程现场实测土压力值进行对比分析，计算值与实测值接近，土压力曲线吻合较好，说明了本项目中采用的计算方法对于分析闸室结构的变形和应力分布情况是可靠的、科学的。

将三维仿真模型计算结果与现场实测结构应力进行比较，仿真分析结果与实测结果基本吻合，也表明了预应力坞式闸室结构在不同工况下受力状态良好，能够满足船闸设计及船闸结构运营要求。

结束语

与已有技术相比，预应力体系在船闸坞式闸室中的应用有益效果体现在：

在闸室结构采用预应力混凝土结构，充分发挥混凝土抗压强度高和预应力钢束抗拉强度大的优点，减少闸室结构的拉应力，甚至在闸室内保持一定的压应力储备，有效地控制闸室结构的开裂，从而增强船闸工程的耐久性。同时，采用预应力钢束可以较大地减少钢筋用量，从而降低工程造价。

通过预应力坞式闸室结构与普通钢筋混凝土坞式闸室结构比较分析，预应力坞式闸室结构相比普通钢筋混凝土坞式闸室结构，在结构受力性能、结构耐久性及工程造价方面都有显著的优越性，本项目所提出预应力坞式闸室结构是船闸工程领域的一创新性成果，将推动船闸工程乃至水工建筑领域迈向新的发展时期。

（作者单位：安徽省交通勘察设计院有限公司）