混凝土沉沙池缓黏结预应力筋设计与张拉顺序优化研究

(喀左县水利局，辽宁 喀左 122300)

1 工程背景

锦凌水库是一座以防洪和城市供水为主，兼有改善当地地下水环境的综合性大型水利工程，同时也是辽西重要河流小凌河上的唯一控制性枢纽工程[1]。水库的坝址位于锦州市近郊的后山河营子村，下游距离锦州市区约9.5km，水库大坝最大坝高48.3m，坝顶高程64.80m，坝长1148.0m，坝址以上控制流域面积3029km2，占小凌河流域面积的58.8%，设计库容8.5亿m3。

锦凌水库供水工程是以锦凌水库为水源的供水工程，该工程由锦凌水库取水后经过输水管线输送到一级泵站，由一级泵站加压后输送至净水厂，净化处理达到饮用水标准后经过配水管线输送至市区。由于小凌河是辽宁省西部的多沙河流，且输沙量年内和年际分布极不均匀，因此需要设置沉沙池[2]。

2 施工工艺参数

2.1 沉沙池结构设计参数

结合设计水量、静止沉淀时的浑液面沉降速度以及工程运行需要，沉沙池设计为内径60m的半地下圆形水池，池壁为现浇缓黏结预应力混凝土，厚30cm，高3.3m，在池周均匀设置肋宽为0.3m、弧度为3°的8个锚固肋，底板和池壁的环形基础为钢筋混凝土结构。

锦凌水库输水工程的沉沙池为强度等级C40、抗渗等级W8的现浇缓黏结预应力钢筋混凝土结构，轴心抗压和抗拉设计值分别为19.1MPa和2.39MPa，泊松比为0.21，弹性模量为32.5GPa。沉沙池的底板和池壁的环形基础为C30钢筋混凝土，轴心抗压和抗拉设计值分别为14.3MPa和2.01MPa，泊松比为0.21，弹性模量为30.0GPa。沉沙池底板下为厚度10cm的C30混凝土垫层，轴心抗压和抗拉设计值分别为5.1MPa和0.90MPa，泊松比为0.21，弹性模量为17.5GPa。为了使沉沙池的池壁与底部基础断开，以抵抗内水压力的向外扩张作用，池壁与混凝土环形基础之间设置厚度10mm的橡胶垫片。

沉沙池的预应力筋为52束直径15.2mm的缓黏结预应力钢绞线，采用环向均布设计，包角为90°，每匝4段，上下层错肋布置。张拉控制应力为1302MPa。布置见图1。

图1 池壁预应力筋布置

2.2 预应力筋关键施工工艺

沉沙池工程用缓黏结预应力筋，在出厂时已经将两端包裹严实，因此，运输过程中要做好必要的防护措施，避免表皮破损[3]。在张拉过程中，预应力筋应该按照张拉设备下料、准确定位、两端张拉，使筋体和锚具相互配合，形成完整的防水系统[4]。为了防止沉沙池的池壁产生早期收缩裂缝，在池壁混凝土具有一定强度时，需要对预应力筋采用初应力张拉预紧，如没有特别需要，不得进行超张拉[5]。缓黏结筋则需要按照预先设定的张拉顺序进行张拉，完毕后进行统一锚固。张拉过程中，应该小心操作，防止预应力筋产生断裂或脱滑。

2.3 预应力筋张拉顺序计算方案

根据沉沙池设计要求，其在运行期间不能出现任何裂缝[6]。鉴于缓黏结预应力沉沙池在施工过程中进行的预应力筋张拉作业会引起池壁结构内力的显著变化，且与水池正常运行过程中的内力分布存在显著差异，因此选择合适的张拉顺序是十分必要的。本次研究的锦凌水库输水工程沉沙池的缓黏结预应力筋共13组52根，每4根为一组形成一环，相邻两组之间的竖向距离为25cm，结合沉沙池的结构特点与施工要求，提出如下两种不同的张拉顺序方案以备选择。方案一，从池壁的最上层预应力钢筋束开始张拉，自上而下顺次完成各组预应力钢筋的张拉；方案二，从池壁的最下层预应力钢筋束开始张拉，自下而上顺次完成各组预应力钢筋的张拉。

3 张拉方案甄选

3.1 有限元计算模型的构建

研究中利用ANSYS进行沉沙池结构的数值计算模型构建，通过模拟两种不同张拉方案下沉沙池结构的应力和应变状态，获取最佳张拉顺序[7]。鉴于混凝土和钢筋在物理力学性能上存在显著区别，因此池壁、池底和基础等混凝土部分采用Solid45单元模拟，缓黏结预应力筋则采用Link180单元进行模拟，并利用软件中的节点耦合技术建立两者之间变形协调关系[8]。对于沉沙池的地基土体，按照沉沙池结构直径的2倍，也就是120m范围实际土体分层建模。建模完成后的数值计算模型共包括135235个计算单元、145876个计算节点(见图2)。

图2 有限元模型

在预应力筋的张拉施工过程中，池壁混凝土始终处于弹性阶段，因此池壁混凝土采用单轴受压、受拉本构关系；鉴于预应力筋始终处于受拉状态，因此采用无屈服点钢筋本构关系。在确定模型的边界条件时，考虑周围土体的影响，底部的土体表面采用全自由度约束，周边土体采用径向自由度约束。

由于研究的沉沙池为圆形结构，其环形预应力钢筋的预应力分布并不均匀，且会随着时间的增加而衰减，计算过程中必须要考虑各种因素造成的预应力损失。因此，在利用构建的有限元模型计算中采用降温法进行预应力的施加，对每个钢筋单元节点全部施加温度荷载，且不同的节点施加不同的荷载。同时，在施加过程中考虑预应力筋的收缩、松弛、锚具变形以及混凝土收缩等各种因素造成的预应力损失。

3.2 环向应力计算结果与分析

利用上节构建的模型，对不同张拉顺序下沉沙池池壁混凝土环向应力进行模拟计算，结果见图3～图6。由图3和图4可知，在方案一条件下，随着预应力筋自上而下逐步张拉，沉沙池的池壁逐步建立起环向应力，并随着张拉组数的增加而增大，在13组预应力筋全部张拉完毕后，池壁为受压状态。由图5和图6可知，方案二条件下的环向应力变化与方案一基本一致，随着预应力筋自下而上逐步张拉，沉沙池的池壁逐步建立起环向应力，并随着张拉组数的增加而减小，在13组预应力筋全部张拉完毕后，池壁为受压状态。但是，方案二为自下而上进行张拉，因此，张拉开始后沉沙池的底部首先建立起预应力，且与方案一相比偏小0.1MPa左右。同时，方案一与方案二相比施工更为方便。因此在张拉施工中推荐方案一，也就是按照自下而上的顺序进行预应力筋的张拉。

图3 方案一池壁外表面环向应力变化曲线

图4 方案一池壁内表面环向应力变化曲线

图5 方案二池壁外表面环向应力变化曲线

图6 方案二池壁内表面环向应力变化曲线

4 张拉结构受力分析

对方案一条件下预应力筋张拉施工完成后的池壁结构受力状态进行模拟计算，获得池壁环向应力沿高度变化的曲线(见图7)。由图7可知，沉沙池内壁和外壁的环向应力均随着高度的增加而逐步增大。从具体数值来看，沉沙池底部的内外表面环向应力值相同，均为-1.81MPa，沉沙池顶部的内外表面环向应力值比较接近，分别为-1.71MPa和-1.68MPa。此外，池壁的内外表面环向应力值均在高度为1.96m的部位出现较大波动，原因是该位置设置有“U”形蓄水槽，导致该部位的惯性矩较大。总体而言，沉沙池池底的环向应力值较大，可以为后期的运营提供必要的保障。

图7 池壁环向应力沿高度变化曲线

根据模拟计算结果，获得池壁断面竖向应力分布(见图8)。由图8可知，在张拉施工完成后，受到预应力筋的作用，沉沙池的池壁产生竖向弯曲效应，内表面受拉应力作用，且随着高度的增加先减小后增大，最终趋于平稳；外表面受压应力作用，且随着高度的增加先增大后减小，最终趋于平稳。在张拉施工过程中，沉沙池池壁所受到的整体应力远大于-4.78MPa的开裂验算结果，不会出现裂缝。同时，施工中采用的缓黏结预应力筋和自上而下的张拉施工方案安全满足施工要求，也从侧面验证了缓黏结预应力技术在沉沙池设计施工中的可行性与适用性。

图8 池壁竖向应力沿高度方向变化曲线

5 结 论

本文以辽宁省锦凌水库沉沙池为例，研究了混凝土沉沙池缓黏结预应力筋设计与张拉顺序，主要结论如下：结合沉沙池池壁现浇缓黏结预应力混凝土的施工要求，提出两种不同的预应力筋张拉方案，两种方案相比，自上而下的张拉施工顺序不仅便于施工，还可以有效减少预应力损失，为最佳施工方案；自上而下的张拉施工方案的结构受力分析显示，该方案安全满足施工要求，同时验证了缓黏结预应力技术在沉沙池设计施工中的可行性与适用性。