预应力技术在洪蓝船闸闸室底板整体浇筑中的应用
张志宁 苏超 杨一奇
摘 要：软基上坞式闸室为避免在底板中部上表面的拉应力超标所产生的混凝土裂缝，多采用“墩底分浇、预留宽缝、后期封合”的结构措施，这种措施若新老混凝土接触面处理不好会产生人为裂缝，另外会增加施工处理程序，影响施工速度。本文提出应用预应力技术减小拉应力、防止闸室底板裂缝，采用瞬變温度场理论和徐变应力理论对洪蓝船闸闸室施工过程进行仿真分析，设计预应力参数，工程应用实践取得了满意的研究成果。
关键词：坞式闸室，底板，预应力，整体浇筑
中图分类号：U641.2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0068-03
软基上坞式闸室在侧墙自重荷载和回填土边荷载共同作用下，底板中部上表面会产生较大的横河向拉应力。为了避免由于拉应力超标而产生底板混凝土裂缝，在上个世纪90年许多学者研究采用预留宽缝的结构形式。傅作新等通过试验和理论研究和现场测试，验证了大型船闸分缝施工方案的可行性，为安全而经济地设计软基上的大型船闸提供了成功经验和科学依据；周清华等采用Biot固结理论和邓肯—张E—μ本构模型验证了原型观测资料得出的结论；刘晓平等研究比较了土基和岩基上坞式结构船闸闸首或闸室底板预留宽缝施工方法的效果，对预留宽缝的施工提出了建议；朱庆华等对宽缝的位置和封铰时间进行多方案的数值模拟，以宝应船闸标准段闸室结构为研究对象，分析土基上船闸结构底板预留宽缝施工方法的效果，论证了封绞时间及宽缝位置对坞式结构内力状态的影响；苏超等采用粘弹性地基模型分析了闸室底板的分缝效应及结构的应力分布特征。在研究过程中也发现了宽缝的不利影响，陈璐等结合江苏省土基上的船闸工程实例，分析分缝施工的坞式结构底板的受力情况，对底板底层钢筋保护层在施工宽缝周围的防裂问题提出建议。宽缝本身就是人为混凝土结合面，若施工处理不当也会造成混凝土裂缝；本文研究拟通过预应力技术减小坞式闸室底板中部上表面的混凝土拉应力，达到底板整体浇筑的目的，避免结构上的人为缺陷，提高船闸施工的效率。
1 工程概况
洪蓝船闸闸址位于秦淮河流域与石臼湖流域分水岭南侧，船闸级别为Ⅳ级，设计最大船舶吨级为500吨，船闸建设规模采用180×18×4（m）。考虑防洪要求为50年一遇，堤防等级为二级，水工通航建筑物等级划分如下：上闸首、下闸首、闸室按2级水工建筑物设计；导航墙、靠船墩、护岸按3级水工建筑物设计，临时工程按4级水工建筑物设计。
闸室底板地基水文地质条件较为复杂，根据现有钻孔资料，土质均为全风化或强风化砂岩，采用整体式结构和辅助预应力设计，图1为闸室结构简图。
2 计算方法、计算参数和计算模型
采用瞬变温度场和徐变应力场理论计算闸室混凝土内部的温度和应力分布，根据洪蓝船闸的实际情况和试验结果，计算选取参数如下：
（11）环境温度：根据南京市多年月平均气温值，考虑日照等因素的影响等因素，气温变化曲线可由下式表示。
由于闸室结构和受力均是对称，取1/4闸室计算。有限元计算模型见图2，其中模型节点数为：113139，单元数为：104390。
施工过程模拟如下：
（1）2017.5.30～2017.7.30浇筑底板；
（2）2017.8.15浇筑倒角；
（3）2017.11.15浇筑闸室墙；
（4）2018年4月29日浇筑二期混凝土。
3 闸室结构施工期应力分布
采用瞬变温度场和徐变应力场理论计算闸室混凝土内部的温度和应力分布，图3给出了闸室底板最大横河向应力分布图，可见拉应力达1.74MPa，根据中国水利水电科学院的实验结果，朱伯芳等给出了混凝土轴向抗拉强度的推荐公式：
4 预应力参数设计
从图3可以看出，较大的横河向拉应力发生在底板中间上部区域，且分布相对均匀，钢绞线的布置只要均匀分布底板上部区域即可，图4给出了底板横河向预应力布置图。预应力束采用15.2预应力高强钢绞线，公称面积为139.4mm2，其标准强度为=1860MPa，张拉控制应力考虑=0.65。建议底板处10束，每束采用4根预应力钢绞线。根据结构中应力的发展时程数据分析，底板处预应力在闸室墙浇筑和回填土填筑之前进行张拉，张拉力值每束为674 KN，采用单边张拉方式进行预应力施工。
5 预应力施加效果
图5给出了闸室底板施加预应力后，横河向闸室应力计算结果，底板在施加预应力之后，横河向的应力由没有施加预应力的1.74MPa降到1.48MPa，可以得出，施加预应力可以显著降低闸室结构的拉应力，避免产生温度裂缝。
6 结论
通过三维有限元仿真计算，底板中部存在较大的横河向拉应力，量值达1.74MPa，存在混凝土发生裂缝的风险；较大的拉应力产生的主要原因是闸室墙自重和回填土边荷载作用。通过施加预应力可以实现混凝土底板整体浇筑，对防治混凝土底板裂缝效果明显。仿真计算方法可以清晰地反应闸室内混凝土应力变化规律，对预应力锚索的布置、预应力参数设计及张拉程序安排提供了有效的理论分析工具。
参考文献：
[1]傅作新. 大型船闸和水闸底板设计和施工中的几个问题[J]. 水运工程， 1993（1）：37-42.
[2]陈璐， 王核. 分缝施工的坞式结构底板设计探讨[J]. 水运工程， 1999（9）：35-38.
[3]周清华， 边立明， 徐泽中. 墩底分浇式船闸闸首底板算法研究[J]. 水运工程， 2003（1）：43-46.
[4]刘晓平， 曹周红， 杨锡安，等. 岩基上坞式船闸结构底板预留宽缝施工方法效果分析[J]. 长沙理工大学学报（自然科学版）， 2006， 3（3）：61-64.
[5]刘晓平， 曹周红， 桑雷，等. 不同地基坞式船闸结构底板预留宽缝施工方法效果分析[J]. 水力发电学报， 2007， 26（3）：54-58.
[6]朱庆华， 康立荣， 秦忠国. 船闸闸室的施工优化研究[J]. 中国水运月刊， 2016， 16（3）：239-242.
[7] 苏超， 姜弘道， 谭恩会. 黏弹性基础梁计算方法及其应用[J]. 河海大学学报， 2000， 28（5）： 101-105.
[8]苏超， 姜弘道， 谭恩会. 软基上结构仿真计算方法及其应用[J]. 河海大学学报自然科学版， 2000， 28（4）：23-28.
摘 要：软基上坞式闸室为避免在底板中部上表面的拉应力超标所产生的混凝土裂缝，多采用“墩底分浇、预留宽缝、后期封合”的结构措施，这种措施若新老混凝土接触面处理不好会产生人为裂缝，另外会增加施工处理程序，影响施工速度。本文提出应用预应力技术减小拉应力、防止闸室底板裂缝，采用瞬變温度场理论和徐变应力理论对洪蓝船闸闸室施工过程进行仿真分析，设计预应力参数，工程应用实践取得了满意的研究成果。
关键词：坞式闸室，底板，预应力，整体浇筑
中图分类号：U641.2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0068-03
软基上坞式闸室在侧墙自重荷载和回填土边荷载共同作用下，底板中部上表面会产生较大的横河向拉应力。为了避免由于拉应力超标而产生底板混凝土裂缝，在上个世纪90年许多学者研究采用预留宽缝的结构形式。傅作新等通过试验和理论研究和现场测试，验证了大型船闸分缝施工方案的可行性，为安全而经济地设计软基上的大型船闸提供了成功经验和科学依据；周清华等采用Biot固结理论和邓肯—张E—μ本构模型验证了原型观测资料得出的结论；刘晓平等研究比较了土基和岩基上坞式结构船闸闸首或闸室底板预留宽缝施工方法的效果，对预留宽缝的施工提出了建议；朱庆华等对宽缝的位置和封铰时间进行多方案的数值模拟，以宝应船闸标准段闸室结构为研究对象，分析土基上船闸结构底板预留宽缝施工方法的效果，论证了封绞时间及宽缝位置对坞式结构内力状态的影响；苏超等采用粘弹性地基模型分析了闸室底板的分缝效应及结构的应力分布特征。在研究过程中也发现了宽缝的不利影响，陈璐等结合江苏省土基上的船闸工程实例，分析分缝施工的坞式结构底板的受力情况，对底板底层钢筋保护层在施工宽缝周围的防裂问题提出建议。宽缝本身就是人为混凝土结合面，若施工处理不当也会造成混凝土裂缝；本文研究拟通过预应力技术减小坞式闸室底板中部上表面的混凝土拉应力，达到底板整体浇筑的目的，避免结构上的人为缺陷，提高船闸施工的效率。
1 工程概况
洪蓝船闸闸址位于秦淮河流域与石臼湖流域分水岭南侧，船闸级别为Ⅳ级，设计最大船舶吨级为500吨，船闸建设规模采用180×18×4（m）。考虑防洪要求为50年一遇，堤防等级为二级，水工通航建筑物等级划分如下：上闸首、下闸首、闸室按2级水工建筑物设计；导航墙、靠船墩、护岸按3级水工建筑物设计，临时工程按4级水工建筑物设计。
闸室底板地基水文地质条件较为复杂，根据现有钻孔资料，土质均为全风化或强风化砂岩，采用整体式结构和辅助预应力设计，图1为闸室结构简图。
2 计算方法、计算参数和计算模型
采用瞬变温度场和徐变应力场理论计算闸室混凝土内部的温度和应力分布，根据洪蓝船闸的实际情况和试验结果，计算选取参数如下：
（11）环境温度：根据南京市多年月平均气温值，考虑日照等因素的影响等因素，气温变化曲线可由下式表示。
由于闸室结构和受力均是对称，取1/4闸室计算。有限元计算模型见图2，其中模型节点数为：113139，单元数为：104390。
施工过程模拟如下：
（1）2017.5.30～2017.7.30浇筑底板；
（2）2017.8.15浇筑倒角；
（3）2017.11.15浇筑闸室墙；
（4）2018年4月29日浇筑二期混凝土。
3 闸室结构施工期应力分布
采用瞬变温度场和徐变应力场理论计算闸室混凝土内部的温度和应力分布，图3给出了闸室底板最大横河向应力分布图，可见拉应力达1.74MPa，根据中国水利水电科学院的实验结果，朱伯芳等给出了混凝土轴向抗拉强度的推荐公式：
4 预应力参数设计
从图3可以看出，较大的横河向拉应力发生在底板中间上部区域，且分布相对均匀，钢绞线的布置只要均匀分布底板上部区域即可，图4给出了底板横河向预应力布置图。预应力束采用15.2预应力高强钢绞线，公称面积为139.4mm2，其标准强度为=1860MPa，张拉控制应力考虑=0.65。建议底板处10束，每束采用4根预应力钢绞线。根据结构中应力的发展时程数据分析，底板处预应力在闸室墙浇筑和回填土填筑之前进行张拉，张拉力值每束为674 KN，采用单边张拉方式进行预应力施工。
5 预应力施加效果
图5给出了闸室底板施加预应力后，横河向闸室应力计算结果，底板在施加预应力之后，横河向的应力由没有施加预应力的1.74MPa降到1.48MPa，可以得出，施加预应力可以显著降低闸室结构的拉应力，避免产生温度裂缝。
6 结论
通过三维有限元仿真计算，底板中部存在较大的横河向拉应力，量值达1.74MPa，存在混凝土发生裂缝的风险；较大的拉应力产生的主要原因是闸室墙自重和回填土边荷载作用。通过施加预应力可以实现混凝土底板整体浇筑，对防治混凝土底板裂缝效果明显。仿真计算方法可以清晰地反应闸室内混凝土应力变化规律，对预应力锚索的布置、预应力参数设计及张拉程序安排提供了有效的理论分析工具。
参考文献：
[1]傅作新. 大型船闸和水闸底板设计和施工中的几个问题[J]. 水运工程， 1993（1）：37-42.
[2]陈璐， 王核. 分缝施工的坞式结构底板设计探讨[J]. 水运工程， 1999（9）：35-38.
[3]周清华， 边立明， 徐泽中. 墩底分浇式船闸闸首底板算法研究[J]. 水运工程， 2003（1）：43-46.
[4]刘晓平， 曹周红， 杨锡安，等. 岩基上坞式船闸结构底板预留宽缝施工方法效果分析[J]. 长沙理工大学学报（自然科学版）， 2006， 3（3）：61-64.
[5]刘晓平， 曹周红， 桑雷，等. 不同地基坞式船闸结构底板预留宽缝施工方法效果分析[J]. 水力发电学报， 2007， 26（3）：54-58.
[6]朱庆华， 康立荣， 秦忠国. 船闸闸室的施工优化研究[J]. 中国水运月刊， 2016， 16（3）：239-242.
[7] 苏超， 姜弘道， 谭恩会. 黏弹性基础梁计算方法及其应用[J]. 河海大学学报， 2000， 28（5）： 101-105.
[8]苏超， 姜弘道， 谭恩会. 软基上结构仿真计算方法及其应用[J]. 河海大学学报自然科学版， 2000， 28（4）：23-28.
