预应力张拉对倒虹吸结构应力场分布的影响_戚波.pdf
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1、 99 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 (第 51 卷)H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y (T o t a l N o.51)文章编号:1007-7596(2023)05-0001-04收稿日期 2022-04-23作者简介 戚波(1966-),男,新疆乌鲁木齐人,工程师。预应力张拉对倒虹吸结构应力场分布的影响戚 波(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,乌鲁木齐 830002)摘 要:为展开预应力张拉施工次序和施工过程
2、对水利工程倒虹吸结构应力场影响情况的分析,以新疆伊犁河拦河引水枢纽及北岸干渠工程倒虹吸构筑物为例,应用有限元分析技术对倒虹吸结构混凝土浇筑施工及预应力筋张拉过程中位移响应及应力场分布情况展开模拟分析。结果表明,预应力张拉次序对结构混凝土拉应力影响较大,且影响范围几乎涵盖所有墙-板连接节点,存在较大的结构开裂及破坏的可能性,必须在设计组织及施工过程中予以重视;同时在张拉施工时采取“中墙边墙顶板底板”的预应力张拉施工方案,避免施工期间拉应力过大现象的出现,保证倒虹吸结构的稳定性与安全性。关键词:预应力张拉;倒虹吸;结构物;应力场中图分类号:TV672.5文献标识码:B0 引 言倒虹吸结构是水利工程
3、中较为常见的立交水工输水建筑物,分布跨度大,其预应力张拉施工过程中结构混凝土受力复杂。近年来,在倒虹吸结构的研究领域,虽然已经出现人工边界处理方法,但因处理过程较为繁琐、边界参数取值趋于经验化等原因,无法在具体工程中推广应用。所以当前在倒虹吸结构物应力场分布方面,仍根据工程实际、地质情况及相关经验展开计算模型截断边界确定,并据此展开有限元计算。但是,地基边界计算宽度选取对倒虹吸结构-地基动力之间的相互作用存在一定影响,宽度选择过小会导致计算结果误差和错误,选择过大则会使计算模型中节点过多,增大计算过程的复杂性。为此,文章应用 ADINA 力学软件构建倒虹吸结构物及土体有限元模型展开混凝土浇筑和
4、预应力张拉过程中顶板、底板、竖墙等结构受力情况的模拟;其中,倒虹吸结构物预应力筋采用杆单元中的 Rebar 单元选项,以更好地模拟预应力筋和结构混凝土相互作用形态,并对张拉施工次序进行优化分析,以期为倒虹吸水工结构物预应力张拉施工提供借鉴指导。1 工程概况新疆伊犁河拦河引水枢纽及北岸干渠工程位于伊宁县与察布查尔县交界的伊犁河干流段,本工程为等大(1)型工程。干渠、沿线分水闸、节制退水闸、输水涵洞、输水渡槽、隧洞、排洪建筑物、灌区交叉建筑物为 3 级建筑物。北岸干渠及渠系防洪建筑物工程按 30a 一遇(P=3.33%)设计。干渠七标桩号 84+416.28796+150.69,长 11.734k
5、m。渠道、输水渡槽 2 座、节制分水退水闸、渡槽 6 座、倒虹吸 4 道及涵洞 10 道、排洪建筑物(纳洪口、排洪涵洞、排洪渡槽)等。竖井式箱型倒虹吸位于桩号 88+147 处,倒虹吸建筑物宽 1.2m,高 1.6m,总设计长度 58.1m,涵底基础采用换填 50cm 砂砾石的处理。倒虹吸管身为三孔一联预应力钢筋混凝土箱形结构,单孔过水断面宽 6.5m、高 6.6m,顶底板及边墙设计厚度均为 1.0m,中墙厚 0.8m。结合倒虹吸建筑物受力特征及可能承受的荷载,初步选用 1860 级低松弛预应力钢绞线,并按照水工DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.049 100 2023
6、 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 (第 51 卷)H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y (T o t a l N o.51)混凝土结构设计规范(SL/T1912017)取值,后张法张拉预应力。中墙处布置直线钢绞线,1 束5 根;顶底板及边墙处布置曲线钢绞线,顶底板处1束13根,两端张拉;边墙处1束11根,单端张拉。根据初设,在完成倒虹吸混凝土浇筑施工后,按照底板顶板边墙中墙的次序张拉预应力,同时对张拉期间倒虹吸结构物受力情况展开分析,总
7、结出应力场变化的趋势规律,为预应力张拉次序优化及施工安全提供依据。2 模型构建结合该水利工程现场岩土及地质勘测资料,按照 水利水电工程地质勘察规范(GB50287-2016)及室内岩土试验结果,将模型中各土层物理力学参数列示,如表 1 所示。表 1 各土层物理力学参数取值土层类型变形模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/湿密度/kg(m3)-1浮密度/kg(m3)-1泊松比卵石550332038.712000.31中砂4.1816.224.82038.510500.33倒虹吸 C4032500/2500/0.167垫层 C1017500/14000.167应用 ADINA 力学软件1构建倒虹吸结
8、构物及土体有限元模型,模拟混凝土浇筑和预应力张拉过程中顶板、底板、竖墙等结构受力情况,并对张拉施工次序进行优化,以控制和减小张拉施工期间过大拉应力的出现,保证结构受力稳定。计算范围按照 8 节点六面体单元离散,其中 y、z 坐标轴对应倒虹吸结构物的水平向和竖直向,x 向为水流向;地基两侧为法向链杆约束,地基底面为固定约束。模型中共包括单元数和节点数88976个、100124个。倒虹吸结构预应力施加方法主要有初始应变法和等效荷载法等2。结合该水利工程竖井式箱型倒虹吸结构特征,通过初始应变法对预应力施加过程展开模拟,该方法建模及网格划分简单,预应力作用下结构整体效应容易求取。在有效预应力为为pe,
9、弹性模量为 E 时,初始应变取 pe/E,则实际施加的预应力为有效预应力和预应力损失之差,公式如下:()()()12pconllxxx=(1)式中:con为预应力张拉时锚下张拉控制应力,MPa;()1lx为预应力张拉过程中顺着预应力筋长度向的锚下x处的摩阻所引起的应力损失,MPa;()2lx为锚固预应力筋时顺着钢筋长度向的锚下x处锚固损失,MPa。为较好地模拟预应力筋和结构混凝土相互作用的形态,在分析过程中,该倒虹吸结构物预应力筋采用杆单元中的 Rebar 单元选项,其单元属性取决于杆单元属性。在有限元处理前必须找出每根Rebar 线和二维实体边的交叉点,自动生成相应节点,并建立该节点和相邻节
10、点间的约束方程。3 倒虹吸结构应力场分布3.1 位移响应在预应力张拉施工过程中,倒虹吸结构各向位移最值及出现时刻,具体如表 2 所示。根据表中结果,与 y 向和 z 向位移相比,x 向倒虹吸结构轴向位移较小,且在受到动力作用后 x 正向位移和负向位移取值接近。预应力张拉施工过程中所产生的不利扰动波沿 y 向输入,故 y 向位移值较大且正负向位移取值相近。预应力张拉施工期间,倒虹吸结构各向位移均未超出 水工混凝土结构设计规范(SL/T191-2017)限值,故结构位移基本稳定并处于位移平衡状态,无需采取限位措施。表 2 倒虹吸结构各向位移最值及出现时刻结构向x 向y 向z 向x 正向x 负向y
11、正向y 负向x 正向x 负向位移最值/mm0.0218-0.02221.510-1.13811.191-0.9082出现时刻/s7.457.087.447.107.441.703.2 应力场变化结合水工混凝土结构设计规范(SL/T191-2017),将预应力施加时混凝土立方体抗压强度设定为设计强度的 75%,则在预应力施工过程中受到组合荷载作用下,倒虹吸结构混凝土截面边缘压应力和拉应力分别不超出 18MPa 和 2.16MPa,且结构混凝土必须形成永久性压应力环。通过 ADINA 软件中单元生死时间的定义方法展开倒虹吸结构物混凝土浇筑和预应力张拉施工过程的模拟,共设置出7个时间步,各步长均为1
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