引松供水工程输水总干线现浇预应力涵设计

王 倩 ，鞠 晔 ，高艺馨

（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130000；2.水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021）

0 引言

吉林省中部城市引松供水工程（以下简称“中部供水”工程）输水总干线局部段内水压力0.5～0.55 MPa，覆土深度较浅7～18 m，成洞条件极差，衔接4段建筑物的隧洞洞径5.1 m。

在该段建筑物选型设计上，为了避免双管和单洞交替出现的情况，需选用直径5.1 m的管道，只有现浇预应力涵具备条件，最终确定采用现浇预应力涵方案。主要结论为：

1）直径5.1 m的PCCP管对中部供水工程来说存在如下主要问题。

①采用φ5.1 m大口径PCCP管在我国尚属首例，可能会出现许多未可预料的技术问题。

②运输PCCP的大型专用设备，目前还主要依赖进口，如果某一环节脱节，可能影响工程的如期完成。

2）在东深供水改造工程中，成功采用了2根现浇无粘结预应力混凝土薄壁圆涵，单根直径4.8 m。最大内压0.3 MPa，最大覆土6 m。

参照东深供水改造工程成功经验，该工程采用内圆外城门洞型式的无粘结预应力圆涵。

1 现浇预应力涵结构布置

1.1 环形预应力作用机理

环形预应力技术是通过张拉环形预应力钢绞线束，对圆涵混凝土施加预压应力的，曲线预应力钢绞线束在预应力形成机理上与直线预应力钢绞线束有所不同，直线预应力钢绞线束主要靠锚头挤压构件端部，借此向内传递内力；而环形预应力钢绞线束则主要通过预应力钢绞线束张拉变形挤压孔道壁，使涵体混凝土截面内形成预压应力。

取平面曲线预应力钢绞线束微段分离体如图1所示：

图1 环形预应力作用机理示意图

根据静力平衡方程，向微段曲率中心O取矩，有

由摩擦原理，张拉过程微段摩擦力，有

向微段中心法向投影并略去高阶微量得

式中：μ0为预应力钢绞线束与孔道间的摩擦系数；f为预应力钢绞线束与孔道间的摩擦力集度；p为预应力钢绞线束与孔道间的压力集度；T为计算截面处预应力钢绞线束张拉力。

由于环形预应力钢绞线束与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失在全部预应力损失中所占的比例相对较大，因此在进行结构计算时不仅要考虑预应力钢绞线束对孔道的径向挤压力，还应考虑钢绞线束张拉和锚固时对孔道的切向拖拽力。

1.2 钢绞线有效张拉力的计算

预应力钢绞线采用后张无粘结施工方法，其预应力损失包括锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1、预应力钢绞线与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失σl2、预应力筋应力松弛引起的预应力损失Sl4、混凝土收缩和徐变引起的预应力损失Sl5，以及预应力钢绞线分批张拉时，后批张拉预应力钢绞线所产生的混凝土弹性压缩（或伸长），对先批张拉预应力钢绞线所造成的预应力损失Sl6（通过分批错开张拉等措施，减少该项损失，Sl6暂不考虑）。

后张法压力涵道预应力钢绞线张拉力，在混凝土预压前的损失，即第一批损失为：

混凝土预压后的损失，即第二批损失为：

预应力总损失为：

第一批预应力损失后，预应力钢绞线的有效预应力为：

预应力钢绞线的长期有效预应力为：

现对应圆心角θ=370°/2（对锚，两侧同步张拉），故损失计算范围为0～185°，计算结果见表1。

2 有限元计算

2.1 计算参数

2.1.1 材料参数

材料一：钢绞线Es=1.95e5MPa，泊松比0.3，线膨胀系数α=2e-5。

材料二：混凝土Ec=3.25e4MPa，泊松比0.167。

材料三：回填土。

表1 预应力损失计算表 MPa

2.1.2 预应力模拟

采用降温法模拟预应力。

2.2 荷载及工况组合

1）结构自重。涵体混凝土重度25 kN/m3。

2）满涵水重。运行期内水压力4段涵体分别采用 55，55，50，50 m 进行计算。

3）填土压力。

4）外水压力。根据各断面地下水位线确定外水压力水头值。

针对不同工况对应的荷载组合见表2。

表2 不同工况下的荷载组合

2.3 计算模型及结果分析

2.3.1 计算模型

假定：

1）圆涵处于平面应变状态。

2）常规钢筋和预应力钢绞线束与混凝土之间不发生滑移。

3）计算中考虑钢筋存在的因素，钢筋混凝土折算弹性模量，按下式计算：

Er=Ec[1+μ（Es-Ec）/Ec]

式中：Er——钢筋混凝土折算弹性模量；Ec——混凝土弹性模量；Es——钢筋弹性模量；μ——配筋率。

采用有限元软件对预应力钢绞线和混凝土单元进行有限元网格划分，涵壁混凝土网格沿厚度分3层（钢绞线束外1层，钢绞线束内2层），各层均按5°圆心角划分单元。

2.3.2 计算结果

圆涵周边应力计算结果见表3所示。

表3 计算成果表

通过对各种工况计算得出，圆涵周边没有出现拉应力。最大压应力4.53～9.74 MPa，C40混凝土的抗压强度设计值19.1 MPa，安全系数为1.96～4.1，SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》中规定，1级水工建筑物，预应力混凝土结构基本组合下承载力安全系数K=1.35，偶然组合下承载力安全系数K=1.15，满足结构要求。整体模型中锚具槽附近出现拉应力，最大拉应力1.38～2.53 MPa，施工工况及试水工况超过混凝土抗拉强度，但因锚槽位于圆环断面之外，对涵体安全使用的影响较小，采取加大局部配筋量控制裂缝开展宽度。

3 结论

通过对“内圆外城门洞形”预应力涵的正常运行工况、施工工况、试水工况检修工况有限元计算，结果表明结构安全可靠，采用无粘结预应力技术，以“又”字形钢绞线束在涵下部两侧对拉方式施加环向预应力，满足了涵体结构强度和抗裂使用要求。

[1]傅章吉.d4.8 m现浇预应力混凝土“圆涵”的设计研究[J].广东水利电力职业技术学院学报，2004（3）.

[2]阳武，陈晓文，李红卫，叶尧辉.东改工程C-Ⅱ标段预应力涵管结构试验研究[J].广东水利水电，2004（4）.

[3]严振瑞，朱方敏.东深供水改造工程φ4.8 m大型无粘结预应力涵管的有限元仿真分析[J].预应力技术，2008（2）.