預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土襯砌的技術(shù)原理及其在水工隧洞工程中的應(yīng)用

李東平　?！‖B

摘要:分別論述了裝配式混凝土襯砌及預(yù)應(yīng)力混凝土的技術(shù)特點,介紹了預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土襯砌技術(shù)特點及其在水工隧洞工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:裝配式;預(yù)應(yīng)力;水工隧洞

1 裝配式混凝土襯砌的技術(shù)原理

在20世紀50年代以前,地下工程中的襯砌,無論是采用礦山法施工,還是采用掘進法施工,襯砌大都是現(xiàn)場澆筑的,只是對于一些對承載有特殊要求的區(qū)域采用了預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。這種預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點:①便于工業(yè)化生產(chǎn)、勞動效率高、生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定、質(zhì)量保證率高。②施工方便,模板和現(xiàn)澆混凝土作業(yè)很少,現(xiàn)場濕作業(yè)大大減少,有利于環(huán)境保護和減少施工擾民。③建造速度快,對周圍生活及工作環(huán)境影響小工期短,投資回收快。④預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面光滑平整、外觀好、尺寸準確,并能夠和保溫、隔熱、水電管線布置等方面的功能結(jié)合起來,有良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

但是,這種普通預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)也存在著節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜、結(jié)構(gòu)整體性差、節(jié)點抗震性能差等缺點。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的出現(xiàn)給地下工程的襯砌結(jié)構(gòu)帶來一場革命。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土的技術(shù)原理

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是由普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展而來,早期預(yù)應(yīng)力混凝土進入使用階段歸功于法國的工程師弗萊西奈(Freyssinet),他在1982年研制成功了預(yù)應(yīng)力混凝土,并指出預(yù)應(yīng)力混凝土必須采用高強鋼材和高強混凝土。預(yù)應(yīng)力混凝土的原理為對結(jié)構(gòu)承載時產(chǎn)生拉應(yīng)力的部位,預(yù)先用某種方法對混凝土施加一定的預(yù)壓應(yīng)力,以抵消或部分抵消結(jié)構(gòu)承載時產(chǎn)生拉的應(yīng)力,達到延緩受拉混凝土開裂或裂縫開展,使結(jié)構(gòu)在使用荷載下不出現(xiàn)裂縫或不產(chǎn)生過大的裂縫。預(yù)應(yīng)力混凝土的理論基礎(chǔ)包括:①預(yù)應(yīng)力使混凝土成為彈性材料。將預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件看作混凝土經(jīng)過預(yù)壓后從原來抗拉弱、抗壓強的脆性材料變成一種既能抗拉又能抗壓的彈性材料?；炷脸惺軆蓚€力系內(nèi)部預(yù)壓力和外部荷載。外部荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力被預(yù)壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力所抵消。②施加預(yù)應(yīng)力是為了使高強鋼材和混凝土能協(xié)同工作。將預(yù)應(yīng)力混凝土看作高強鋼材與混凝土材料的組合,與鋼筋混凝土一樣用鋼筋承受拉力及混凝土承受壓力以抵抗外力彎矩。要充分利用混凝土結(jié)構(gòu)中高強鋼筋的強度,必須在與混凝土組合時預(yù)先張拉,完成一定的變形量。預(yù)應(yīng)力是一種充分利用高強鋼材的有效手段,預(yù)應(yīng)力混凝土可以看作鋼筋混凝土的擴展。③施加預(yù)應(yīng)力是實現(xiàn)部分荷載的平衡。施加預(yù)應(yīng)力是試圖平衡構(gòu)件上部分或全部荷載。如果預(yù)應(yīng)力對截面產(chǎn)生的彎矩等于外荷載產(chǎn)生的彎矩,則構(gòu)件處于軸心受壓狀態(tài)。

這三種不同的理論基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的彈性設(shè)計、塑性設(shè)計及平衡設(shè)計提供了理論依據(jù)。預(yù)應(yīng)力混凝土較普通鋼筋混凝土而言,具有下列主要優(yōu)點:

①節(jié)約工程材料、減輕結(jié)構(gòu)自重。由于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件必須采用高強度鋼筋和高強混凝土,因而可以減小構(gòu)件的截面,節(jié)省鋼材和混凝土,減輕結(jié)構(gòu)的自重。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,可以節(jié)約20-40%的混凝土和30-60%受力鋼筋。②提高構(gòu)件的抗裂性和剛度。施加預(yù)應(yīng)力后,在使用荷載作用下,構(gòu)件可以不出現(xiàn)裂縫或推遲裂縫的出現(xiàn),構(gòu)件剛度相應(yīng)提高,結(jié)構(gòu)的耐久性增強。③減小混凝土梁的剪力和主拉應(yīng)力。由于平衡荷載的作用,預(yù)應(yīng)力構(gòu)件支座部分剪力減小又由于混凝土預(yù)壓應(yīng)力的存在,使荷載作用下的主拉應(yīng)力減小,有利于減小梁腹的厚度,減小結(jié)構(gòu)的自重。④結(jié)構(gòu)安全、質(zhì)量可靠。施加預(yù)應(yīng)力時,預(yù)應(yīng)力筋和混凝土都將接受一次強度檢驗,對結(jié)構(gòu)的安全和質(zhì)量保證起到預(yù)檢驗的作用。

此外,由于預(yù)應(yīng)力的存在,混凝土基本全截面參與受力,在疲勞荷載作用所引起的應(yīng)力變化相對較小,因此施加預(yù)應(yīng)力可以提高構(gòu)件的抗疲勞性能。

3 預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的技術(shù)原理

水工隧洞在內(nèi)水壓力作用下,襯砌是承受拉應(yīng)力的。由于混凝土的抗拉強度和延展性很低,當(dāng)襯砌拉應(yīng)力過大時,襯砌可能開裂,增加了透水性,還有可能危及其它建筑物的安全。對于高水頭的引水隧洞,不得不做成防滲的鋼板襯砌,或為了防滲的要求,做成很厚的鋼筋混凝土襯砌,這顯然是不經(jīng)濟的。為了充分利用混凝土的抗壓強度和圍巖的承載能力,在施工時可采用各種不同的方法,對襯砌施加一種與內(nèi)水壓力相反的徑向壓力,以抵消一部分或全部由內(nèi)水壓力作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力,這樣就可以取消鋼板襯砌或使鋼筋混凝土襯砌厚度減薄。使襯砌結(jié)構(gòu)獲得一定預(yù)壓應(yīng)力的襯砌,稱為預(yù)應(yīng)力襯砌。

采用預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)時,施加預(yù)應(yīng)力一方面可以減輕結(jié)構(gòu)自重、提高結(jié)構(gòu)抗裂性,同時可以作為拼裝手段,提高節(jié)點的整體性和抗震性能。預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),既保留了預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,又能夠克服其存在的缺陷同時擴大了預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍,預(yù)應(yīng)力技術(shù)在預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的發(fā)展,最先體現(xiàn)在盾構(gòu)隧道管片中的應(yīng)用。

在盾構(gòu)隧道方面,日本在20世紀90年代率先開展了預(yù)應(yīng)力管片試驗研究,目的是用于小直徑、受內(nèi)壓的隧道,在寢屋川流域恩智川東干線50m的下水道受內(nèi)壓區(qū)間段使用的預(yù)制預(yù)應(yīng)力管片外直徑為,厚150mm,寬1.0m,采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絲。

日本方面的研究表明預(yù)應(yīng)力襯砌具有如下特性:①良好的經(jīng)濟性。使用預(yù)應(yīng)力襯砌可以節(jié)約聯(lián)接螺栓,節(jié)約內(nèi)襯,同樣的內(nèi)力作用下可以減小管片厚度。②良好的襯砌質(zhì)量。減少結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫,使管片表面光滑、抗?jié)B能力提高施加預(yù)應(yīng)力可以減小施工時拼裝變形接頭的張角較小。③施工方便。省卻螺栓安裝,易于快速拼裝,張拉對隧道推進影響小。光滑的內(nèi)表面。不需要環(huán)向螺栓的安裝手空,減少內(nèi)部的外露鋼制部件,且內(nèi)部裂縫同樣較少。④承受內(nèi)水壓時,可以使混凝土處于受壓狀態(tài),對結(jié)構(gòu)防水和穩(wěn)定性都有利。

國內(nèi)對預(yù)應(yīng)力裝配式襯砌進行的研究首推同濟大學(xué)進行的“盾構(gòu)隧道預(yù)應(yīng)力管片的模型試驗與設(shè)計方法研究”,(2004年)。該研究在模型試驗和有限元分析基礎(chǔ)上,得出如下結(jié)論:①與普通螺栓聯(lián)接的管片接頭剛度相比,預(yù)應(yīng)力管片接頭剛度完全可以滿足管片設(shè)計的要求,并且在預(yù)應(yīng)力施加噸位增大的情況下,還可以有所提高。②整環(huán)試驗結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力襯砌的縱向接縫位置的變化對結(jié)構(gòu)的影響不同,整體的力學(xué)性能有相應(yīng)的改變通過施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力管片所承受的荷載將大于同等條件下的普通管片。③預(yù)應(yīng)力管片在整個施加外荷載的過程中,能夠較好地保持管環(huán)的真圓度,這將有利于管片受力均勻,防止管片管徑產(chǎn)生過大變形而產(chǎn)生裂縫,有利于其耐久性。④對于預(yù)應(yīng)力管片試驗中裂縫的觀察可以看出,由于有預(yù)加應(yīng)力的存在,裂縫的擴展并不是隨著外荷載的增大而有較大的變化,而且在荷載減小后,裂縫將自動閉合,這對于整個管片,甚至是整條隧道的耐久性都是十分有利的。

4 預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)在水工隧洞襯砌中的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力襯砌最早出現(xiàn)在歐洲,20世紀20年代G·布拉文首先提出了在襯砌與圍巖之間留一條專門的縫隙,用灌漿來形成預(yù)應(yīng)力。1946年貝爾格也曾提出過用灌漿的辦法建造預(yù)應(yīng)力襯砌。1942年,根據(jù)工程師蒙大尼的提議,法國艾依里水電站用灌漿的方法建造了預(yù)應(yīng)力襯砌。20世紀40～50年代,在德國、意大利、南斯拉夫、法國、奧地利和前蘇聯(lián)先后建成了一批預(yù)應(yīng)力襯砌的壓力隧洞。

壓力隧洞襯砌中的預(yù)應(yīng)力按其施加形式可分為兩大類:一類是利用圍巖的彈性抗力,在襯砌混凝土環(huán)與圍巖之間的空隙內(nèi)施加液體壓力(如高壓灌注水泥漿)擠壓襯砌混凝土環(huán)形成,此種方法形成的預(yù)應(yīng)力永久保存的必要條件是,上覆巖體具有足夠的強度和厚度,圍巖比較完整、彈性好,否則會因蠕變而達不到預(yù)期效果,因而屬被動式預(yù)應(yīng)力;二類是通過后張預(yù)置在襯砌中的預(yù)應(yīng)力筋束擠壓襯砌混凝土環(huán)形成,屬主動式預(yù)應(yīng)力,當(dāng)襯砌環(huán)由預(yù)制管片組裝而成時,屬于預(yù)制管片預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)?，F(xiàn)在大力推廣的襯砌混凝土是在隧洞內(nèi)現(xiàn)澆成型的高效預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)。主動式預(yù)應(yīng)力適用于任何圍巖條件,且因預(yù)應(yīng)力度通過預(yù)應(yīng)力筋束布置選定,具有靈活、可靠、持久的特點。

參考文獻

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