渡槽大流量预应力渡槽设计但和施工技术研究

大流量预应力渡槽设计和施工技术研究

三关键技术

1  大型渡槽温度边界条件及荷载作用机理及对结构的影响研究高承载、大跨度渡槽结构新型式及优化设计研究大型渡槽新材料止水、支座等新结构研究。

1  处于大气对流、 日辐射、骤然温降等复杂环境中的渡槽温度边界条件和主要影响因素的确定沿线水温模型的确定时变温度应力计算的初始温度场的确定。

2 大型有限元通用软件进行多向预应力混凝土结构设计计算方法 包括有限元分析中施加预应力的方法、预应力损失的模拟、张拉顺序的优化以及预应力渡槽结构设计中的结构力学方法和弹性理论的有限元方法相结合的问题。

3 竖向荷载与水平荷载共同作用下的群桩-土-承台共同作用机理与设计计算方法 以及桩基的优化设计群桩-土-承台三者的工作性状的数值模拟。

4 软岩嵌岩桩荷载传递机理的研究 以及嵌岩桩基承载力的设计计算方法。

5 混凝土开裂敏感性试验与评价方法如何从材料配比与微结构优化方面提高高性能混凝土的抗渗、抗碳化与抗冻等问题。

2 渡槽和槽墩支柱的抗震性能研究减震措施研究。

1  考虑土-渡槽结构相互作用的拟动力试验模拟地震对渡槽结构的作用。

2 渡槽结构动力特性和动力响应原型试验试验条件的实现。

3 桩基一土动力相互作用的数值模拟。

4桩基一土动力相互作用的室内模型试验技术和本构模型。

3 渡槽施工技术及施工工艺研究研究施工质量控制指标及控制方法。

1  大型渡槽预应力混凝土叠合结构施工技术和施工工艺。

2 渡槽高性能混凝土的防裂施工技术和施工工艺。

3 预应力混凝土结构渡槽的施工质量控制方法及控制指标。

4 外部裂缝预防及补救措施以及与此相关的新型涂料开发。

1  在模拟实际结构内部条件下养护的混凝土材料的力学、 热学及宏观体积变化性能的测定方法。

2 基于混凝土水化硬化速率、结构形式及环境条件的混凝土结构内温度场和湿度场随混凝土浇筑龄期的变化规律。

3 混凝土结构内部与约束、温度、湿度相关联的应力分布随时间的变化模型及三维仿真计算方法。

4渡槽结构的裂缝控制实验模型的制作和实验技术。

5) 渡槽施工和运行期间的实时监测及评估。

6) 混凝土结构开裂风险的表征判据的建立开裂风险评估分析程序的开发。

(5)大型渡槽的耐久性及可靠性研究。

1) 大型渡槽混凝土耐久性作用机理的研究。

2) 大型渡槽混凝土耐久寿命预测模型的建立。

3) 由于基于可靠度理论的渡槽可靠性计算结果的实用性和可靠性依赖于影响渡槽安全的主要参数的准确性对于渡槽来说模型试验与实际情况有一定差异。因此如何充分利用类似工程的数据以及如何在小样本情况下确定渡槽安全分析主要参数的概率模型及其统计参数是渡槽可靠度分析中的技术难点。

4) 如何建立合理的渡槽结构抗力衰减模型在此基础上提出可行的渡槽时变可靠度分析方法。

5) 如何确定渡槽下部灌注桩基础中缺陷的统计特性 在此基础上分析含有缺陷桩基础的可靠度。

(6)研究地震、预应力失效、施工及运行中出现的表层裂缝、止水失效、基础失稳等各种可能导致大型预应力渡槽失效的破坏模式、破坏机理及对渡槽造成的危害程度 以及相应的预防及补救措施。

多因素作用下大型预应力渡槽失效模式的识别方法是综合研究地震破坏、预应力失效、 混凝土结构裂缝、止水失效、基础失稳等导致大型预应力渡槽失效的模式、破坏机理及对渡槽造成危害程度的评价的主要技术难点。

(四)技术特点和创新点

本课题针对目前南水北调中线大流量预应力渡槽在设计、施工中尚无完全解决的理论和技术问题开展研究其研究成果将会促进大流量预应力渡槽在设计、施工方面的技术水平可直接具体指导南水北调大流量预应力渡槽的设计和施工实践具有较多的创新点 主要创新点如下

(1)首次提出施工期和运行期各种复杂气候条件下大流量预应力渡槽温度边界条件和温度场的计算方法并进行温度应力计算对温度荷载对不同渡槽结构的影响进行较全面的研究。

(2)提出充分利用材料潜力充分利用结构自身跨越能力 自重小承载力大的大流量预应力渡槽新结构(多厢矩型和多厢U型预应力渡槽)。

(3)提高软岩嵌固桩基础承载力的工程措施及不等高基岩面长短桩设计方法。

(4)研制出适合大流量预应力渡槽的高强度、高抗裂混凝土材料高可靠性止水和高承载减震支座。

(5)建立大流量预应力渡槽抗震的分析计算方法包括渡槽拟动力分析、渡槽内水体和结构的液固耦合计算、桩-土动力相互作用及相应的结构避震措施研究。

(6)借鉴桥梁及工民建的先进施工技术提出可行的大流量预应力渡槽槽身、基础和预应力的施工技术和工艺并提出相应的施工质量控制指标和控制方法及措施。

(7)在研究各种大流量预应力渡槽失效和破坏模式的基础上提出相应监测预防与加固补强措施与方法。

(8)大流量预应力渡槽裂缝形成的机理及裂缝控制成套技术。

(9)研制新型大流量预应力渡槽保温防渗防水涂料。

(10) 提出大流量预应力渡槽混凝土材料耐久性指标及设计要求研究。

(1 1) 提出基于可靠度理论的渡槽时变可靠性分析方法。

(12) 对大流量预应力渡槽开展原型试验 目前国内外尚无前例试验可为后续工程渡槽的设计和施工提供宝贵的数据。

二、课题年度考核指标及主要技术经济指标完成情况

(一)课题年度考核指标及主要技术经济指标

根据课题工作大纲的进度安排 2007年度(含2006年)课题考核指标及主要技术经济指标如下:

(1) 2006年研究计划

资料收集、制定研究方案和工作大纲签订子课题研究协议书。

(2) 2007年研究计划

2007年度主要研究内容目标有

①完成温度边界试验提出大流量预应力渡槽的温度边界及温度场计算方法完成槽身优化结构型式及计算方法研究

②完成在不等高基岩面上的软岩嵌固桩基础承载力研究

③完成大流量预应力渡槽新材料、止水的研究

④完成大流量预应力渡槽的抗震分析模型和计算方法

⑤完成大流量预应力渡槽施工质量控制指标及控制方法研究

⑥完成大流量预应力渡槽裂缝形成机理及裂缝控制成套技术

⑦完成大流量预应力渡槽保温防渗防水涂料

⑧完成大流量预应力渡槽耐久性指标及设计要求研究。

2007年度考核指标有

提交年度报告完成3~5篇论文。

(二)完成情况

根据课题研究管理办法的要求课题组织单位及课题负责人对项目的研究进度进行了有效的组织和管理工作完成了2006年度、 2007年度总体研究目标。

(1) 2006年考核指标完成情况

已完成相关的资料收集并完成了研究方案和工作大纲的制定 同时课题组织单位与各课题协作研究单位之间已就课题研究任务及合作签订了子课题研究协议书。

(2) 2007年考核指标完成情况

根据2007年的研究目标 目前完成情况如下

针对目标①

已完成槽身温度边界和槽内水温度边界的计算方法 同时给出了渡槽温度场计算方法。给出了适用于南水北调中线大流量渡槽的新型多厢梁式渡槽优化结构针对该结构提出了特大型渡槽的平面问题和空间问题相结合的分析方法完成了基于大型有限元平台一ANSYS勺完全参数化的矩型、 U型渡槽的有限元分析建模及分析计算程序。

渡槽温度边界试验已经启动正在进行当中。

针对目标②

提出了不等高基岩面上软岩嵌岩桩承载力计算方法 以及渡槽下部结构设计优化。

针对目标③

进行原材料优选与性能测试完成高性能混凝土主要原材料控制指标研究完成高性能混凝土配合比优化设计、力学性能、热学性能研究并比计划提前进行了初步的耐久性试验完成了渡槽高性能混凝土的配制与耐久性提高技术研究完成了渡槽高性能混凝土高性能形成机理研究完成了渡槽高性能混凝土施工暂行技术条件研究。

已完成大型渡槽伸缩缝止水失效的原因分析并确定了止水方案和质量控制措施完成了伸缩止水结构的研究。

针对目标④

完成了大流量预应力渡槽的抗震分析有限元模型和计算方法研究对渡槽自振特性和动力结构响应进行了分析和计算。

提出了大型渡槽桩基-土相互作用计算分析方法和减震措施。

对拟动力模型试验进行了方案设计对试验模型方案进行了有限元模拟计算 比较了多个模型方案正在进行拟动力模型试验的准备工作。

针对目标⑤

开展了预应力张拉控制技术研究 已完成了预应力孔道成型、预应力筋制作、预应力筋张拉和锚固等技术研究。

开展了渡槽施工期混凝土养护措施与温控研究制定了具体措施和控制要求。

通过相关技术的收集和研究初步拟定了渡槽施工方案。

完成了《渡槽设计规范》的编制工作。

针对目标⑥

开展了高性能混凝土防裂技术研究和基于抗裂耐久的渡槽高性能混凝土主要原材料控制指标研究提出了初步的数据。完成了渡槽高性能混凝土抗裂性提高技术研究。

通过对多个典型大型渡槽开展结构静应力和动应力计算分析了自重荷载、水荷载、温度荷载和地震荷载对结构裂缝形成的影响并提出了相应的处理方案和措施。

通过对施工措施及养护的研究给出了大型渡槽施工期裂缝的预防措施。

目前该研究已完成大部分理论研究工作,相关试验工作正在开展中。

针对目标⑦

已完成渗透结晶型防水材料的开发 同时水泥渗透结晶型防水材料用于本身结构已很致密的C50高性能混凝土槽壁防渗的技术的研制进展顺利。

从上述研究可以看出 2007年度课题总体进行情况良好基本完成了预期的研究工作,完成了5篇论文为下一年度研究工作打下了良好的技术基础。

三、课题进展情况评价包括目标、任务进展情况、 已解决的关键技术、 已取得的重大科技成果、 已形成标准和专利情况、 已获得的各种奖励情况、整体水平及配套性以及已建成的试验基地、 中试线、生产线等情况

一已解决的关键技术和取得的重大科技成果

1.大流量预应力渡槽温度边界条件及荷载作用机理及对结构的影响研究 高承载、大跨度渡槽结构新型式及优化设计研究大流量预应力渡槽新材料止水、支座等新结构研究。1 完成了大型渡槽运行期温度边界条件的计算方法

①温度边界条件的计算

置于自然环境中的渡槽结构其结构温度主要受持续变化的气温、太阳辐射及槽内水温的影响。通过研究给出了考虑了气温、槽内水温、太阳辐射、大气对流及自身热辐射等因素的影响渡槽温度边界的计算方法和计算公式。

②槽内水温的计算

通过建立采用含相变的一维非恒定水-冰混合流动扩散模型来计算中线十渠全线的水温渠内水温的确定考虑了气温、太阳辐射、水面蒸发、上游水温等多种因素的影响由此来确定不同区域不同季节时的槽内水温。

(2)完成了温度荷载作用机理及对渡槽结构的影响研究

对温度荷载的作用作了深入研究探讨了在夏季日照和冬季寒流等不利条件下的温度荷载计算方法对完善渡槽结构在不利温度场条件下计算分析具有重要的参考价值。

①分析了运行期及施工期温度荷载对渡槽结构的影响及不同型式的大型预应力渡槽温度荷载的特点通过研究认为温度荷载是影响大型渡槽结构安全的重要荷载具有非线性特点须采用瞬态的分析方法。

②运行期渡槽外壁温度梯度远大于内壁沿槽壁方向温度梯度具有明显的非线性的特点。 由气温、 日照、槽内水温和寒流等因素形成的温度拉应力比较可观在夏天日照工况可达2N/mrh在秋冬季温降工况可达到3N/mrH渡槽结构温度应力具有明显的空间特点 由于存在应力集中的现象矩形渡槽的温度拉应力值相对 U形渡槽的要大但其分布范围有限较U形小。

③施工期的温度应力可以通过合理的温度控制措施减少其不利影响 运行期的温度应力可以通过合理的预应力钢筋的布置及表面保温措施可以消除其不利的影响。

(3) 渡槽温度场及温度边界试验研究

考虑实际工程渡槽的尺寸和人工气候环境模拟实验室的试验空间 基于一定的相似关系设计了渡槽温度边界的试验模型改进了相应的试验装置制定了可考虑日照、降雨、 温度、湿度、风速、结冰和气温骤降等气候环境的试验工况安置了近千只温度、湿度、应变、应力和风速等传感器并进行了相应的预试验。

(4) 高承载、大跨度渡槽结构新型式及优化设计研究

①提出了适用于南水北调中线大流量渡槽的新型多厢梁式渡槽结构及其优化思路和方法。根据大型渡槽的特点综合考虑渡槽结构的可靠性、经济性和施工的便利性按照渡槽结构的优化思路和方法确定渡槽的结构型式(包括纵向支承结构型式和槽身横断面型式)在此基础上选择多种结构尺寸方案进行结构计算分析及设计 以控制截面拉应力及经济配筋率作为控制指标优选槽身跨度及槽壁厚度等主要尺寸。

②提出了特大型渡槽的平面问题和空间问题相结合的分析方法。

应用传统的平面结构力学方法和三维有限元分析分析方法设计大型渡槽可遵循以下方法和步骤

按照渡槽结构的优化思路和方法确定渡槽的结构型,拟定槽身跨度及槽壁厚度等主要尺寸。

多厢联合布置的渡槽宽跨比比较大空间作用比较明显 由于边墙和中墙的荷载 /刚度比值不同在垂直荷载作用下的位移不同在渡槽的横向计算中应考虑两者相对位移的影响。采用Ansys有限元分析软件计算渡槽在外荷载作用下的截面应力状态和边墙、 中墙的相对位移。

用平面结构力学方法将渡槽划分成纵向、横向平面结构进行内力分析和结构设计初步确定预应力钢筋数量。在对平面结构进行内力分析时应考虑边墙和中墙相对位移的影响(也可以根据有限元计算的截面应力状态然后根据应力图形配置钢筋)。

对初步选定的预应力钢筋品种、数量和布置方案计算张拉控制应力、预应力损失。

对钢筋按照等效原理进行简化布置。

用三维空间有限元程序对结构进行反分析计算渡槽各部分的应力。

③结合具体工程利用大型通用有限元平台—ANSYS编制了适应性强、多参数控制的参数化预应力三维有限元分析的相关建模、计算程序。使用该程序可以极大地提高具有较复杂体型的三维U型和矩型渡槽结构的分析效率和分析精度。

④取得了一些对渡槽工程设计有意义的结论

对于矩形截面方案横向拉应力最大值一般出现在跨中附近的横梁且在中间槽横梁跨中下表面。板上的最大横向拉应力值也出现在跨中附近的板上且在板靠近支座附近的上表面。纵向应力的分布规律与端部的约束方式关系很大 当端部为简支时纵向最大拉应力值一般出现在纵梁的跨中下表面 当端部连续时纵梁的跨中下表面的纵向拉应力也是一个较大值但最大纵向拉应力出现在上翼板靠近支座处。

对于U形截面方案横向应力的最大值出现在靠近支座附近槽底的上表面。纵向应力的最大值仍位于跨中的最底部。但当支座处连续时应力分布特征更为复杂支座附近的上部拉杆会出现很大的横向拉应力。支座附近的槽底上表面会出现很大的纵向拉应力。

对于矩形截面方案 当跨度在40m左右时跨度的改变不会明显改变横梁以及板的最大横向拉应力但会显著地改变纵向最大拉应力。

对于矩形截面端部简支方案 当跨度在30m左右时整体结构的三维效应增强跨中横梁上的最大横向拉应力有了明显减小但板上的最大拉应力跟跨度为 40m相比较时变化很小。

矩形截面端部连续方案会改善跨中横梁的横向应力但对跨中板的横向应力影响其微。也会显著改善纵梁上的纵向应力但会使上部翼板上产生很大的纵向拉应力。

矩形加肋方案会明显改善跨中横梁的横向应力但对跨中板的横向应力基本无改善其至使板上的横向应力变得更大。当然加肋后可以显著减小边墙厚度对其它部分影响不大。U型渡槽端部改为连续后槽底的横向应力值有了很大改善但靠近支座的上部拉杆会出现较大的横向拉应力而且应力的分布规律变得更为复杂。

(5) 不等高基岩面上的软岩嵌固桩基础承载力研究

①大型渡槽下部结构型式及优化设计研究

提出了针对不同水文地质条件情况下、渡槽与挖方明渠之间的过渡段的组合基础和特殊基础型的合理型式、渡槽基础的合理桩基础类型和进行优化设计 总结出软岩地基桩基础的承载力特性和计算方法。

②超大承载力桩及桩群承载力计算方法及优化设计研究

提出了嵌岩桩承载力的计算方法进行嵌岩桩承载力理论计算结果与试桩成果对比分析 成果在实际工程设计中的应用。实际工程渡槽桩基承载力与沉降的验算 以及桩基承载力的数值模拟。

通过研究可得出以下结论

根据东江-深圳供水工程金湖渡槽抽芯检测桩底沉渣情况钻孔灌注桩桩底的沉渣厚度为4〜10cm 1号、 57号承台的累计沉降为3mm 95%勺嵌岩桩从开始观测到至今没有沉降发生。根据金湖渡槽5根试桩静载资料试桩的极限荷载与桩身混凝土的强度确定的数值相近而规范确定的极限承载力仅为试桩的极限荷载的1/3。表明嵌岩桩的承载力远未发挥按规范设计的嵌岩桩的安全度过大值得设计单位借鉴。

本项目组提出的应力路径扩孔法确定嵌岩桩的承载力方法,在嵌固段岩层能形成扩径效果时计算结果与实测结果接近(不同长度的6根试桩嵌入弱风化岩层2m计算值与实测值相差不超过土5%),可供设计单位参考。

对于不等高基岩面上的软岩嵌固桩采用长短桩组合方案保证每个桩进入微风化层一定深度 由此引起的不均匀沉降和短桩对长桩的影响等均不大在条件合适的情况下 长短桩应该考虑交错布置减少短桩对长桩的影响。采用后灌浆方案可将桩设置成等长桩端嵌入中风化岩层即可。其承载力的计算可用应力路径扩孔法来确定后压力灌浆提高承载力部分作为安全储备考虑。为了克服桩底沉渣的影响建议对每根桩都进行桩端灌浆。桩端灌浆技术与壁后灌浆结合效果更佳。该方案同样可以节约工程量。

两者并不相互矛盾相反两者可以同时使用优势互补相得益彰。一方面长短桩组合

方案的应用保证桩尖均嵌入弱风化基岩在满足承载力和稳定要求的前提下可以适当降低后灌浆的要求 另一方面灌浆后的桩周土各种力学性质都有所提高有助于减小长短桩的相互影响正常发挥嵌岩桩的承载能力。

在能够满足承载力要求的情况下可以在进一步的设计中适当减小桩径增大桩间距。由于工程规模很大而且重要现场试桩是必不可少的最好是能结合本报告设计试桩 然后进一步研究优化方案。从时间、经济的角度出发试桩不宜完全采用真型桩可考虑采用缩尺真型试桩的方案。

软岩的蠕变以及软化是值得注意的问题后灌浆技术一定程度上可以缓解或消除这方面的不利影响但具体的情况还有赖于对试桩结果的研究断层需进行必要处理如果结合桩的后灌浆技术施工 尚需现场试验等手段进行评估或运用地质物探的先进技术予以检验。按《公路桥涵地基与基础设计规范》 (JTJ 024-85)及《建筑桩基规范》 (JGJ 94-94)等规范进行设计时还需与试桩情况进行对照分析设计值与实测值相差较多的例子并不鲜见。如果参数选取得当计算方法合适三维有限元分析方法得到的计算结果往往比较准确。

现行的诸多规范中只给出了嵌岩桩单桩承载力的求法设计准则应向变形和强度控制的双准则方向变化沉降和承载力双准则控制的嵌岩桩的设计方法可供设计单位借鉴。从嵌岩桩承载机理出发适当增大允许沉降量可极大地提高桩侧岩土层的阻力并使桩端阻力也能更大地发挥作用只要桩基础满足运行阶段沉降和承载力的要求就不必因为是嵌入岩石中的桩就对其沉降要求更为苛刻。对于连续梁式的渡槽结构而言其运行阶段的沉降控制要求极为严格但是如果能够采取措施减小运行阶段沉降 同时增加总沉降充分发挥嵌岩段的侧阻和端阻则必定能产生良好的经济效益 同时对于嵌岩桩的研究和应用也是一大促进。大型渡槽嵌岩桩承载力与沉降可靠度研究可以处理设计中的不确定因素 (如荷载侧阻和端组土性参数不同地质条件和施工工艺的变异性)并定量地反映在参数和计算模式中使下部结构和上部结构能达到较为一致的可靠度水准使渡槽的整体设计更加符合安全可靠、经济合理的原则。

(6) 大流量预应力渡槽新材料

通过胶凝材料体系、水胶比、掺合料掺量的优化配制了工作性、强度满足设计要求抗裂、抗渗性能较好水化热较小、收缩徐变低的渡槽C50高性能混凝土提供了两个混凝土配制方案。成功地应用温度应力一试验机法、大板法开展了混凝土抗裂性能研究。

主要研究内容有

①混凝土主要原材料试验分析

包括水泥与掺合料、碎石、河砂、外加剂、纤维的性能要求研究。

②高性能混凝土主要原材料控制指标研究

完成了对水泥、矿物掺和料、细集料、粗集料、化学外加剂和水的主要控制指标进行了研究。

③高性能混凝土配合比设计优化与主要物理力学性能试验

从混凝土强度、工作性、体积稳定性和耐久性为一体的设计要求出发结合原材料性能 对渡槽高性能混凝土进行了方案优选和配合比优化 目前确定的高性能混凝土配合比见表1 。表1 C50高性能混凝土配合比

万案

2 360 72 48 724 1086 154 0.32 480 40% 1.0 1

表2 C50高性能混凝土主要性能指标

工作性高性能混凝土坍落度和坍扩度为 210~220mm、

530~590mm2h经时后分别为170mm~190420~450mm初凝18h,终凝20h,含气量2.4%。热学性能高性能混凝土中掺入20晰煤灰或15晰煤灰+10%T粉可降低混凝土水化热14咧日17%降低绝热温升值1 1%接近7C 、 14%接近10C ,有

利丁温控防裂。混凝土绝热温升在1.5天内上升迅速之后趋丁平缓 1.5天绝热温升值即达到最终绝热温升值的95咖上

图1粉煤灰掺量对水化放热量的影响