預(yù)應(yīng)力混凝土面板堆石壩技術(shù)及有限元分析

2016-03-12  by:CAE仿真在線  來源:《混凝土》雜志2015年第11期

摘要:面板作為大壩的防滲體,它的整體性和耐久性關(guān)系到大壩的穩(wěn)定安全。因此,面板混凝土的防裂、限裂就成為大壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。防止裂縫的發(fā)生,應(yīng)從提高混凝土自身抗裂能力及減小導(dǎo)致裂縫的破壞力入手。將緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)在混凝土面板堆石壩中可以提高結(jié)構(gòu)的剛度,有效的抑制裂縫的開展。通過對(duì)某地區(qū)一水電站大壩的受力性能進(jìn)行ANSYS有限元分析,對(duì)比施加預(yù)應(yīng)力前后的大壩應(yīng)力及變形特點(diǎn),探究預(yù)應(yīng)力技術(shù)在混凝土面板壩中運(yùn)用的合理性。分析結(jié)果表明:緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋能夠減緩面板的開裂破壞程度,顯著地改善混凝土面板堆石壩的工作性能,值得在今后的工程中推廣。

引言

2012年8月,新疆斯木塔斯水電站正式下閘蓄水。這是世界首次將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于混凝土面板堆石壩中,標(biāo)志著中國水利建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新階段。

時(shí)至今日,預(yù)應(yīng)力技術(shù)在建筑、橋梁工程等方面發(fā)展已非常成熟。建筑樓板、橋梁梁體中的預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠有效的抑制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面的裂縫,同時(shí)大大地節(jié)省鋼材用量,減小結(jié)構(gòu)自重并增加梁體長度。然而,在斯木塔斯水電站建成之前,世界范圍內(nèi)沒有任何一例采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)修建混凝土面板堆石壩的先例。究其原因,不外乎以下幾點(diǎn):相對(duì)于建筑、公路、橋梁工程等,水利工程建設(shè)難度更大,要求的技術(shù)水平更高;預(yù)應(yīng)力施工需要專業(yè)性人員,施工時(shí)間長,耗費(fèi)資金大;2000年以前,我國100米以上的超高大壩數(shù)量較少,普通鋼筋混凝土面板堆石壩完全可以滿足使用要求。

近年來,隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,許多地區(qū)的電力供應(yīng)越來越無法滿足人民群眾生產(chǎn)生活的需求。普通鋼筋混凝土面板堆石壩厚度小,暴露面積大,受溫度、濕度影響大。特別是氣溫驟變和混凝土干縮引起拉應(yīng)力超過混凝土自身的抗拉強(qiáng)度或極限拉應(yīng)變而使面板產(chǎn)生裂縫,對(duì)長面板則更為不利。[1-4]因此其發(fā)展受到了諸多的限制。為了緩解用電壓力,我國的水電站大壩壩體已經(jīng)向著更高更大的方向發(fā)展。新疆斯木塔斯水電站的建成為我們開辟了一個(gè)全新的思路:預(yù)應(yīng)力技術(shù)將是今后水利大壩建設(shè)的新趨勢(shì)。

1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)在混凝土面板堆石壩中的應(yīng)用

適用于水工建筑物的預(yù)應(yīng)力鋼筋為高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼筋。這種鋼筋經(jīng)鋼經(jīng)絞線絞捻而成,且要在350~400℃的高溫環(huán)境下熱處理。經(jīng)過熱處理后的鋼絞線強(qiáng)度大大提高,結(jié)構(gòu)伸直性良好且更加緊密,即使被切斷后仍能保持不松散。另外,這種鋼絞線能夠有效地降低預(yù)應(yīng)力損失。目前市面上常見的預(yù)應(yīng)力鋼筋有3種:有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋、緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。

有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋即光面鋼絞線,它是由7根1860MPa的鋼絞線絞捻而成。若將此種有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)用于混凝土面板堆石壩中,需要采取“先穿法”(先將鋼絞線穿入管道中,再將管道鋪設(shè)到已架好的鋼筋網(wǎng)中)或“后穿法”(先將管道鋪設(shè)在已有鋼筋網(wǎng)上,再穿入鋼絞線)埋設(shè)管道,然后澆筑混凝土。待混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。“埋管成孔”的施工工藝繁瑣復(fù)雜,一定程度上破壞了結(jié)構(gòu)的整體性。施工方法耗費(fèi)了大量的時(shí)間,對(duì)于限制工期的工程不適用。

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的制作方法是將光面高強(qiáng)度低松弛鋼絞線擠壓后在其表面涂上工業(yè)油脂并外裹PE護(hù)套。與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋相比,無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋不需要預(yù)留孔道、孔道灌漿等工序,施工方便,加快了施工進(jìn)度。目前,無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋已在大型薄壁三向混凝土箱梁、渡槽施工,水工隧道預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌等方面得到了成功應(yīng)用。但是由于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋采用“后張法”施工,鋼筋和混凝土可產(chǎn)生縱向滑移,故其兩端錨固鋼筋的錨具必須具有良好的錨固性。水工建筑物多處于環(huán)境惡劣的條件之下,一旦預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生腐蝕、斷裂,都將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的受力性能,對(duì)于混凝土面板堆石壩不適用。

3 結(jié)論

1.ANSYS有限元分析和工程實(shí)例(新疆斯木塔斯水電站大壩)分別從理論和實(shí)際出發(fā),共同驗(yàn)證了加入預(yù)應(yīng)力筋能夠優(yōu)化混凝土面板堆石壩的工作性能。

2.預(yù)應(yīng)力面板堆石壩技術(shù)是將高強(qiáng)度低松弛的緩粘結(jié)筋布設(shè)在混凝土面板堆石壩中,事先人為地在鋼筋混凝土中引入內(nèi)部應(yīng)力,有利于減輕結(jié)構(gòu)自重,抑制裂縫發(fā)展。特別適用于水工大壩這類對(duì)裂縫有較高要求的結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力技術(shù)使結(jié)構(gòu)受力更加均勻。

3.緩粘結(jié)筋的核心是緩粘結(jié)劑,目前我國緩粘結(jié)劑的固化期可分為30天、60天、90天三種。具體施工過程要根據(jù)具體情況取用。

4根據(jù)等強(qiáng)度換算原則,預(yù)應(yīng)力鋼筋的需用量大約為整個(gè)大壩面板配筋的20%。

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