渡槽预应力钢绞线布置优化研究

翟利军，吉晓红

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州450003）

渡槽工程是大型引调水工程中技术难度最复杂的控制性工程之一，本渡槽采用双线四槽布置型式，槽底比降1/4 600，渡槽上部结构采用简支三向预应力混凝土U 形槽。渡槽下部结构为空心墩、混凝土灌注桩基础，两槽共用一墩

渡槽预制施工中，对预应力锚索张拉进行了锚索测力计监测，监测数据表明，纵向、环向预应力钢绞线张拉锚固后，预应力损失值明显高于设计值，根据渡槽槽身预应力损失后的剩余有效预应力，采用ANSYS 软件进行了三维有限元计算分析，结果表明渡槽底板迎水面出现了大于1 MPa 的拉应力，不满足相关要求［1］。本文在不改动原渡槽设计体型的情况下，根据原设计渡槽拉应力分布特性，针对性地拟定多个环向和纵向预应力钢绞线布置优化方案，通过对比分析，确定了经济可行的预应力钢绞线布置优化方案，经有限元计算复核及通水后安全监测资料分析，渡槽能够满足应力和变形的各项要求。

1 原设计渡槽结构布置及应力状态

1.1 原设计渡槽结构布置

渡槽原设计上部结构采用简支预应力混凝土U 形槽，单槽槽身断面净宽8.0 m，净高7.4 m，槽跨中总高8.3 m，槽端部总高9.2 m。顶部每隔2.5 m 设一0.5 m×0.5 m 的钢筋混凝土拉杆。槽身壁厚：0.35～0.9 m，混凝土强度等级C50。单槽下部纵向配21 束8Φs15.2 有粘结预应力钢绞线，上部每侧纵向配3 束5Фs15.2 有粘结预应力钢绞线；单槽环向每0.42 m 布置1 束5Фs15.2有粘结预应力钢绞线，单槽环向共配71束。

渡槽槽身采用30 m 跨U 型断面、简支梁结构，单片槽纵向预应力钢绞线共27孔，其中槽身底部21孔为8Φs15.2，采用圆形锚具，圆形波纹管；槽身上部6 孔为5Φs15.2，采用扁形锚具，扁形波纹管；环向预应力钢绞线共71 孔，环向预应力钢绞线均为5Φs15.2，采用扁形锚具，扁形波纹管；纵向预应力钢绞线线型为直线，环向为直线+半圆+直线，预应力钢绞线均采用两端张拉，全部为有粘结预应力方式［2］。具体布置见图1所示。

图1 原设计槽身预应力钢绞线布置图（单位：mm）Fig.1 Layout of prestressed steel strand of original design aqueduct body

1.2 计算原理及计算模型

本次计算的数值分析方法采用三维有限元法，模型取一个整跨，基本上采用结构化网格剖分，考虑了预应力钢绞线的实际作用位置，坐标系采用右手系，x轴方向为垂直于渡槽轴向，y轴方向为高程方向向上为正，z轴方向为渡槽顺水流方向。模型共剖分单元115 488 个，节点134 811 个。纵向、环向预应力钢绞线的作用采用等效荷载法进行模拟，本渡槽采用后张法施工，计算考虑的预应力损失包括张拉端锚具变形和钢绞线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、预应力钢绞线应力松弛引起的预应力损失σl4、混凝土收缩徐变引起的预应力损失σl5。其中张拉端锚具变形和钢绞线内缩引起的预应力损失采用现场实测值。计算模型及预应力钢绞线作用位置见图2和图3所示。

图2 渡槽网格剖分图Fig.2 Grid section of aqueduct

图3 预应力钢绞线布置图Fig.3 Layout of steel strand

1.3 原设计渡槽应力状态

经各工况计算分析，温升工况下，渡槽内壁的环向均存在受拉区，设计水位和满槽水位工况相比，拉应力分布范围及极值都有所减小，最大环向拉应力从约为0.29 MPa 降至0.17 MPa，但纵向拉应力的分布范围和极值都有所增大，纵向最大拉应力从0.37 MPa 增大至0.51 MPa。满槽水位环向拉应力分布见图4，纵向拉应力分布见图5。

图4 渡槽内壁环向应力图（温升，满槽水深）Fig.4 Circumferential stress diagram of aqueduct inner wall（temperature rise，full depth）

图5 渡槽内壁纵向应力图（温升，满槽水深）Fig.5 Longitudinal stress diagram of aqueduct inner wall（temperature rise，full depth）

温降工况下，满槽水位和设计水位下槽身内壁在环向和纵向均受压，槽身外壁在底部环向受拉，最大拉应力为1.11 MPa和1.26 MPa，槽身外壁在变截面段的直线段部分纵向受拉，最大拉应力为0.70和0.88 MPa。

各工况下，在槽身的端头底部，均存在较大的横向拉应力，最大值为3.42 MPa，发生在设计水位组合温降工况下，不能满足槽身混凝土的抗裂要求。槽身压应力的最大值约在-8.0 MPa左右，能够满足设计要求。

2 预应力钢绞线布置优化方案分析

近年专门研究渡槽预应力钢绞线布置优化的文章不多［3-7］，本文根据原设计渡槽结构监测的实际应力状态，槽身内壁环向和纵向应力均不满足技术规定的要求，在尽量不改动原设计体型的情况下，拟定多个针对性的布置优化方案，考虑在环向和纵向优化预应力锚索的数量及位置，达到满足槽身内壁不出现拉应力的要求。

考虑原设计纵向拉应力和环向拉应力的出现位置均在端头变截面处，所以对在端头一定范围内的环向预应力钢绞线加密布置，同时调整纵向预应力钢筋线的位置和数量，增加槽壁直线段和侧面圆弧段纵向扁锚，将底部弧线布置的圆锚上抬，经过21种优化方案的有限元计算分析比较，可得如下规律。

（1）加密环向预应力钢绞线可以解决环向拉应力问题，但是对渡槽纵向受力不利，所以需要同时协调纵向和环向的预应力布置。

（2）对设计水位运行时，相对于满槽水位而言，由于水压力对槽身内壁的受压作用减小，所以设计水位和温升工况组合后的受力状态更不利。

（3）由于原设计在槽身内壁的纵向和环向的受拉区域均位于槽身直线段与圆弧段的交界附近，纵向位于端头变截面处附近，所以在端头一定范围内加密环向预应力筋，在直线与圆弧段交界附近加密纵向预应力筋，可以解决其受拉问题。

（4）原设计槽底纵向预应力钢绞线余度较大，将弧线段布置的预应力钢绞线对称减少4 束，直线段布置的预应力钢绞线对称减少2束，渡槽仍能满足槽身内外壁的受力要求。

最终的推荐方案为端头部位约6.5 m 范围内对环向预应力钢绞线加密至约每米3 束，分别在槽壁的直线段与圆弧段增加纵向预应力钢绞线，具体为渡槽端头2.83 m 范围内环向扁锚加密为360 mm 间距，中间间距为450 mm。纵向下部圆锚角度扩大为112度，下层为8根8Φ15.2圆锚，上层为9根8Φ15.2圆锚和2根6Φ15.2圆锚，直墙段最上端布置1根6Φ15.2圆锚，其余4根6Φ15.2圆锚向圆弧段移动［8，9］，详见图6。

图6 优化后槽身预应力钢绞线布置图（单位：mm）Fig.6 Layout of prestressed steel strand of aqueduct body after optimization

经过对优化方案进行各工况有限元计算分析，槽身内壁的环向和纵向均受压，没有出现拉应力，环向和纵向的压应力极值分别为-0.03 和-0.14 MPa，压应力特别是环向压应力已经接近受拉的边缘，基本没有再减少预应力锚索的空间。

3 安全监测资料分析

渡槽采用最终确定的预应力钢绞线布置优化方案施工［10］，在现场施工和通水期间每榀槽分别在跨中、1/4跨、1/8跨位置布置了监测断面，槽身监测仪器主要有挠度监测、锚索测力计、钢筋计、混凝土应变计等。

根据监测结果显示，渡槽跨中通水前各部位测值基本表现为压应力，随着水位的增加，槽身钢筋应力的变化趋势为除槽顶两侧部位的纵向钢筋压应力小幅增加外，其他部位的钢筋应力均有不同程度的减小，部分混凝土应力监测特征值见表1所示。渡槽1/4 跨各测点的混凝土的应力通水前均为压应力，随着水位的增加，钢筋应力变化较小，应力表现为压应力小幅减小或拉应力小幅增加，混凝土应力变化趋势与钢筋计应力变化趋势基本一致。渡槽1/8 跨混凝土应力通水前除部分槽底外壁混凝土承受较小拉应力或压应力较小外，其他各部位测值均表现为压应力。随着水位的增加，槽身直线段、槽底外壁钢筋应力基本表现为压应力减小，其他部位表现为压应力增大，总体变幅较小。槽身端部通水前大部位钢筋应力均处于受压状态，槽底内外壁环向钢筋计有较小拉应力，混凝土应力大部分为压应力。随着水位的增加，基座底部钢筋应力微量减小，其他部位钢筋应力有所增大，基座底部压应力最小。混凝土应力各部位变化趋势与钢筋计应力变化趋势基本一致。

表1 跨中断面混凝土应力监测特征值 MPaTab.1 Characteristic value of concrete stress monitoring

图7为跨中断面渡槽内壁混凝土应力典型测值过程线，监测时间4 a，上面为混凝土应力变化曲线，下面为相应的环境温度变化曲线，由图可见运行期间渡槽内壁混凝土均为受压状态。另外，锚索测力计在通水期间运行良好，根据锚索测力计监测成果，锚索预应力通水后纵向预应力值有所减小，部分环向预应力略有增大，满足各项规定。

图7 混凝土应力测值过程线Fig.7 Concrete stress measurement process line

4 结 论

（1）原渡槽设计方案在实际施工中监测数据表明，纵向、环向预应力钢绞线张拉锚固后，预应力损失值明显高于设计值，采用三维有限元计算分析结果表明渡槽迎水面出现拉应力，满槽温升工况下槽身端头变截面处最大环向拉应力为0.29 MPa，最大纵向拉应力为0.37 MPa。设计水位温升工况下最大环向拉应力0.17 MPa，纵向拉应力0.51 MPa。槽身外壁在底部环向受拉，位于槽身底部变截面和端肋的交界处，在槽身的端头底部，存在最大值为3.42 MPa的横向拉应力。

（2）在不改变原渡槽设计体型的前提下，通过优化环向和纵向预应力钢绞线布置可以完全消除内壁正截面拉应力，底部纵向预应力钢绞线部分上移，加大底部圆弧段圆锚布置的包角，两侧槽壁每侧增加两束圆锚。渡槽端部环向扁锚加密为360 mm间距，其余间距调整为450 mm，总体增加工程量较少。

（3）采用预应力钢绞线布置优化方案施工后，从槽身各断面监测数据看渡槽内壁混凝土应力均处于受压状态，渡槽外壁局部出现较小拉应力，锚索预应力通水后纵向预应力值有所减小，部分环向预应力略有增大，均满足各项规定。渡槽工作状态良好，保证了渡槽的质量和安全，为类似工程提供了参考。□