水工隧洞的预应力衬砌结构的优化设计

2022-09-11

1 无粘结环锚预应力衬砌结构存在的问题分析

本文以一个采用无粘结环锚预应力衬砌的压力隧洞, 从施工和运行过程中暴露出来的问题为例, 而进行具体优化分析与设计。案例中, 每束锚索由8根钢绞线组成, 每根钢绞线绕环向两周后用无台座游动环锚锚具在锚具槽内锁定, 该布置方法不仅可使预应力沿程分布非常均匀, 也能使锚具槽下部的衬砌混凝土中建立较高的预压应力。锚索张拉完毕后用PE塑料管和防腐油脂保护钢绞线的裸露部分, 然后用微膨胀混凝土回填。观测结果表明, 衬砌结构内侧表明光滑完整, 应力状态正常, 没有出现裂缝和渗漏现象。但在放空检查时发现个别锚具槽有防腐油脂渗出现象, 详细研究渗油原因发现:渗油锚具槽的回填混凝土不密实, 锚具槽的回填空间较大, 压水空间也较大。

2 无粘结环锚预应力衬砌结构的优化

2.1 优化设计基本思路

本文论述的优化设计只是对既有的上述环锚无粘结预应力衬砌结构进行的优化。结构优化的基本思路是将双排锚具槽改为将锚具槽布置在衬砌底部, 该种布置方式具有以下优点: (1) 施工较为简单。不仅张拉锚索更容易, 而且回填混凝土更易振捣。 (2) 可以采用自密实混凝土回填锚具槽, 保证回填混凝土与原混凝土的可靠粘结, 有利于锚固保护。

2.2 无粘结环锚预应力衬砌结构的优化

(1) 无粘结环锚预应力衬砌结构的计算。

利用三维有限元分析的方法, 在ANSYS软件环境下, 通过对锚具预应力的计算和载荷计算。为有限元模型的建立提供计算资料。本文对衬砌结构进行优化, 拟用底部单排锚具槽形式代替已有工程中双排锚具槽形式进行计算。无粘结环锚预应力衬砌结构的计算主要是:确定计算的结构形式;通过选择合适的环锚预应力衬砌结构加载方法, 计算出预应力损失情况、加载面分布系数、模型加载预应力等。载荷计算时, 首先要确定载荷计算的种类。本文为了计算方便, 在计算内水压力时, 并不将隧洞内的水压力分成均匀内水压力和无水头洞内满水压力计算, 而是进行简化。

(2) 有限元模型的建立。

三维模型中考虑了隧洞围岩与衬砌共同承载, 预应力钢铰线也起到一定的作用。衬砌混凝土的模拟方面, 假定混凝土各向同性, 衬砌混凝土采用三维实体单元SOLID45模拟, 单元由8个节点来定义, 每个节点具有x, y, z位移方向的3个自由度, 该单元可进行弹塑性, 蠕变, 膨胀, 应力强化, 大变形和大应变分析。围岩的模拟上, 围岩与衬砌混凝土作为一个整体, 共同抵抗外荷载作用, 围岩也采用三维实体单元SOLID45模拟。本文仅计算施工期锚索张拉完毕时在结构内建立的应力状态。计算模型的确定按照以下的方法来进行:首先是进行模型选取范围的确定, 主要是确定模型长度和围岩计算厚度。本文考虑到预应力荷载的等效简化作用力是法向的, 指向衬砌断面圆心, 围岩的主要功能是支撑衬砌, 因此, 围岩厚度和弹性模量对衬砌的受力影响不大。确定边界条件主要从围岩对衬砌的约束状态与浇筑块互相之间的影响两个方面进行。围岩沿隧洞轴向的两个侧面采用垂直于表面的连杆约束, 围岩下部由于是与地下固定在一起的, 因此采用固定约束。而假定浇筑块衬砌两端为垂直于端面的连杆约束。最后是计算模型的确定。

建立上述模型之后, 计算出相关结果。其中, 环向最大压应力出现在浇筑块端部与隧洞垂直中心线成大约60度夹角的衬砌外侧, 最大环向压应力力为8.30MPa, 最大压应力出现的位置与围岩的约束有关, 因为衬砌下半环120度范围内考虑围岩约束。最小压应力出现在端部第二个锚具槽的环向临空面附近。最小环向压应力为1.53MPa。最大轴向压应力出现在端部第二个锚索作用面下半环与围岩接触处, 与隧洞垂直中心线大致成60度夹角, 数值为1.48MPa, 轴向压应力在该处变化较大;最大轴向拉应力出现在第二个锚具槽与第三个锚具槽中间断面的下半环外侧, 数值为1.03MPa。轴向应力沿径向分布的规律是, 两束锚索中间断面:从衬砌内侧到衬砌外侧, 轴向压应力先变大后变小。根据计算结果, 与原来的双排锚具槽形式比较, 得到以下结论。

环向应力方面: (1) 整个衬砌结构。单排锚具槽形式和双排锚具槽形式的最小预压应力出现的位置相同, 但最大环向应力出现位置不同。双排锚具槽最大环向压应力出现在衬砌内侧, 而单排锚具槽最大环向压应力出现在衬砌外侧, 这就表明单排锚具槽方案衬砌内侧应力变化范围要小些。 (2) 衬砌内侧环向应力。 (1) 上半环内侧:单排锚具槽和双排锚具槽形式建立的预压应力都很均匀, 不过, 单排锚具槽建立的平均预压应力稍大。 (2) 下半环内侧:单排锚具槽建立的预压应力要比双排锚具槽均匀, 并且应力分布要简单一些, 没有应力突变。双排锚具槽形式, 最小1.81MPa, 最大9.72MPa, 应力有突变;单排锚具槽形式, 最小1.53MPa, 最大6.49MPa, 应力相对均匀, 变化比较平缓, 越靠近锚具槽, 环向应力越小, 呈逐渐减小的趋势, 没有突变。轴向应力方面:单排锚具槽形式, 最大轴向拉应力和轴向压应力均出现在外侧, 内侧整个结构绝大部分均为压应力, 内侧最大压应力为1.04MPa左右, 内侧只在底部锚具槽附近出现了非常小的拉应力。双排锚具槽形式, 较大轴向拉应力出现在浇筑块端部锚具槽底部外侧, 约为0.58MPa, 其余部位均为压应力, 较大轴向压应力约为1.69MPa, 也出现在端部内侧。