预应力张拉对倒虹吸结构应力场分布的影响_戚波.pdf

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 11.734km。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 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，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 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，所得到的成果分述如下。1）y 向应力场变化：绘制混凝土浇筑施工完成且张拉结束后的倒虹吸结构物 y 向应力分布图，正值为拉应力，负值为压应力。根据应力分布情况，101 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）在浇筑完成结构混凝土到预应力筋张拉前，因受到结构自重的作用，y向拉应力和压应力均1.0MPa，且最小值出现在接近边墙内角缘底板处和接近边墙内角缘顶板处。进行预应力筋张拉施工时，y 向拉应力和压应力均变化明显，且应力最值出现的位置也随配筋而改变3。结束顶板张拉后，最大拉应力 1.12MPa 出现在顶板角缘和中墙处，与此同时，顶板和底板均为受压，最大压应力为 9.04MPa 和9.46MPa。边墙和中墙张拉结束后 y 向最大拉应力分别为 1.28MPa 和 1.24MPa，分别出现在边墙底部内侧和边墙内侧下角缘。在这一阶段，倒虹吸结构物 y 向顶底板受压，边墙和中墙拉压相间。2）z 向应力场变化：根据混凝土浇筑施工完成且张拉结束后倒虹吸结构物 z 向应力分布情况，浇筑完成且张拉前，z 向拉压应力最大值分别为0.6MPa 和 1.12MPa，位于边墙上部外侧和内侧。底板张拉结束后底板和边墙连接处内侧受拉、外侧受压，拉压应力最大值分别为 3.45MPa 和 4.47MPa，压应力未超出抗压强度标准范围，但最大拉应力已超出最大拉应力限值，引起倒虹吸结构混凝土形变、结构开裂甚至破坏的可能性较大。完成顶板张拉后 z 向最大拉应力降至 2.75MPa，位置无变化；而 z 向最大压应力为 5.20MPa，主要位于顶板两侧，具体位置受到钢筋约束和网格剖分的影响。结束边墙张拉后结构物 z 向拉应力最值进一步降至 2.12MPa，且主要位于顶底板和中墙连接角缘部位。待中墙张拉结束后 z 向拉应力最值基本稳定在1.84MPa 水平，结构基本处于受压状态，压应力最值为 10.01MPa。将以上结构混凝土浇筑及预应力张拉施工过程中结构应力最值出现点及取值的分析结果汇总至表3。根据表中结果，该倒虹吸结构物有限元模型中 z向拉应力最值沿着0.60MPa3.45MPa2.75MPa2.12MPa 1.84MPa 变化，位置主要涉及到边墙外侧上方、底板与边墙连接处、底板与边墙连接处、顶板与中墙连接处、底板与边墙连接内部角缘等处，预应力张拉施工期间拉应力变化大，超出组合限值，影响位置几乎包括所有的墙-板连接节点4。应力场时空转换对倒虹吸结构物的这种影响是常规计算很难体现的，特别是应力集中的结构节点，在张拉过程中发生破坏并导致结构传力路径失稳的可能性大，必须予以重视。表 3 结构应力最值分析结果汇总施工阶段y 向z 向最大值/MPa位置最小值/MPa位置最大值/MPa位置最小值/MPa位置完成结构混凝土浇筑0.76近边墙内角缘底板处-0.58近边墙内角缘顶板处0.60边墙外侧上方-1.12边墙内侧上方完成底板张拉1.78顶板两侧上缘-5.73底板边孔中间内侧3.45底板与边墙连接处-4.47边墙底外部完成顶板张拉1.12顶板角缘和中墙处-9.04顶板上缘中墙上部2.75底板与边墙连接处-5.20边墙顶外部完成边墙张拉1.28边墙底部内侧-8.82顶板上缘中墙上部2.12顶板与中墙连接处-10.03边墙底外部完成中墙张拉1.24边墙内侧下角缘-9.46顶板上缘中墙上部1.84底板与边墙连接内部角缘-10.01边墙底外部4 张拉次序的优化结合以上分析，按照底板顶板边墙中墙的次序展开预应力张拉，在张拉施工期间会出现拉应力过大的现象，引发倒虹吸结构混凝土破坏的可能性较大。为此，必须以控制并减小预应力张拉施工过程中倒虹吸结构较大拉应力为目标，重新设计组织张拉施工次序。经过比较，得出 3 种较为合理的方案：中墙边墙顶板底板（方案 1），边墙顶板中墙底板（方案 2）、边墙中墙顶板底板（方案 3）。通过对 3 种方案预应力张拉施工过程中结构受力情况的再次模拟，后两种方案在预应力张拉期间倒虹吸结构物 z 向拉应力值变幅较大，不利于结构受力稳定，故最终选择中墙边墙顶板底板（方案1）的预应力张拉施工方案。分析方案 1 预应力张拉施工过程中倒虹吸结构应力场的分布情况看出，张拉次序优化后对结构物y 向应力分布情况并无较大影响，张拉结束后 z 向拉压应力分别为 1.82MPa 和 9.99MPa，与原取值十分接近，但施工期间拉应力值始终未超出 0.75MPa。考虑张拉施工结束后的结构应力分布以及充分考虑回填土体压力、温度应力、内水及外水压力，倒虹吸结构能处于良好的应力工作状态，达到结构稳定（下转第 167 页）167 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）4 结 论1）研 究 认 为，对 辽 阳 市 月 降 水 估 算PERSIANN-CDR 降水产品具有较好的性能，可以准确地描述区域降水时空分布情况，估算误差集中分布于丘陵区、山区等地形复杂的地区和个别极端降水事件上。2）采用标准化降水指数评估了辽阳市干旱特征诊断降水产品的适用性，结果发现该产品可以准确地反演出干旱事件的覆盖范围、发生程度和持续时间，有效地识别干旱情势，但对干旱事件覆盖范围及其发生强度会存在一定的高估；随着干旱事件时间尺度的增大 PERSIANN-CDR 降水产品的可靠性下降，特别是在卫星格点尺度上表现更加明显。3）辽阳市干旱特征辨识可以选用该产品作为降水输入数据，并且对诊断段时间干旱事件的性能相对更优。参考文献：1 成璐，沈润平，师春香，等，CMORPH 和 TRMM3B42降水估计产品的评估检验 J气象，2014(11)：1372-13792 孟现勇，王浩，雷晓辉，等基于 CMDAS 驱动 SWAT 模式的精博河流域水文相关分量模拟、验证及分析 J生态学报，2017，37(21)：7114-71273 程开宇，张磊磊，康颖，等.多源卫星降水数据在瓯江流域的适用性分析 J水电能源科学，2016，34(12)：15-194 郑嵛珍，李欢，李景保，等环境变化下荆南三口河系水文干旱演变特征及归因分析 J冰川冻土，2019，41(04)：945-9575 黄荣辉，蔡榕硕，陈际龙，等我国旱涝气候灾害的年代际变化及其与东亚气候系统变化的关系 J 大气科学，2006，30(05)：731-7436 杨娜，段凯，刘梅，等淮河流域气象干旱风险的区域特征分析 J干旱区资源与环境，2017，31(11)：188-1937 顾万龙，王纪军，朱业玉，等淮河流域降水量年内分配变化规律分析 J长江流域资源与环境，2010，19(04)：426-4318 唐伍斌广西秋冬季旱涝的时空分布特征及同期环流分析 J气象，2009，35(01)：108-1139 李宇中，黎伟标广西秋季异常干旱的气候背景及其成因 J自然灾害学报，2008，17(05)：101-10710 张凌云，李宜爽，袁马强，等近 54 年柳州干旱的时空特征分析 J气象研究与应用，2015，36(03)：26-29，3311 李国庆.北票市旱情评价与减灾对策研究 J.黑龙江水利科技，2019,47(05)：5-8，60.12 宋晓光，杨和玉.阜新地区旱情演变规律及应对策略 J.水土保持应用技术，2013(02)：47-49.13 张海峰，刘浩.朝阳市旱情、雨情分析及抗旱对策探讨 J.水土保持应用技术，2019(01)：44-45.运行的设计意图。5 结 论综上所述，对于倒虹吸水工结构物而言，在预应力筋张拉设计时，不应只考虑结构运行安全，还必须充分考虑结构物在预应力张拉施工期间因张拉次序不合理而产生过大的拉压应力，引发结构混凝土开裂和破坏，对预应力控制展开优化设计。倒虹吸结构物顶底板、竖墙等处预应力筋张拉对结构混凝土应力分布存在不同程度的影响，影响程度及具体位置主要与预应力筋走向及设计预应力值的大小有关。分析结果表明，拉应力最大值主要集中在中墙和顶底板角缘及边墙角缘等处，几乎涵盖了所有墙-板连接节点，说明预应力张拉施工过程引发倒虹吸结构墙-板连接处破坏的可能性较大，必须引起重视。参考文献：1 宋奎，宫必宁，郑人逢，等.预应力张拉顺序对倒虹吸结构应力场分布的影响 J.水电能源科学，2022，40(09):158-161.2 劳沈回.倒虹吸管结构安全复核与过流能力计算分析 J.吉林水利，2022(08):50-54.3 齐锐，王志国，田鹏伟，等.倒虹吸进水口过渡段内流速横向分布试验研究 J.人民黄河，2022，44(05):132-135.4 张炜超，孙昱，郭安宁，等.大型倒虹吸进口渐变段结构三维动力响应分析J.人民长江，2019，50(S2):114-118，166.（上接第 101 页）