预应力技术的研究与应用

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发表时间:2018-05-25 15:31

预应力技术的研究与应用

刘致彬

预应力技术——包括预应力混凝土技术、预应力锚固技术及体外预应力技术等。我所对预应力技术进行了理论研究和科学试验,并获得了许多具有实用价值的研究成果。

1、预应力混凝土技术

所谓预应力混凝土技术,就是根据混凝土结构设计的需要,人为地引入某一反向荷载,用以部分或全部抵消正常荷载在结构中所产生的拉应力。结合具体工程,我所主要对弧形闸门预应力混凝土闸墩及预应力混凝土衬砌隧洞进行了一些研究:

1)  弧形门新型预应力混凝土闸墩

结合五强溪、岩滩、漫湾、天生桥一级等水电站进行了传统的锚块式预应力闸墩的试验研究。设计人员最关心的问题之一是锚块与闸墩连接断面(简称颈部)的应力状态。当颈部应力不能满足设计要求时,有时还布置几束斜锚索以增加颈部预压应力。

分析已建和在建的预应力混凝土闸墩结构可以看出,一是各工程的锚索布置方式、数量及吨位差异很大;二是所有这些预应力闸墩的一个共同特点是锚索预应力和弧门推力均不在一条直线上。虽然它们可以全部或部分抵消弧门推力所产生的拉应力,但不可避免地造成钢材浪费。因此发展高效预应力混凝土结构,要在降低成本或提高结构使用性能的基础上节省钢材。通常以预应力总吨位和弧门推力之比值作为衡量锚索布置的经济指标,比值越小,则锚索布置越趋合理。国外这一比值多为1.8-1.2,而我国此比值多在2.0以上,甚至个别工程达到3.0以上。显然,锚索布置普遍偏多,是不经济的。

试验结果表明,弧门推力所产生的拉应力分布,在颈部断面是两侧大而中间小,呈马鞍形,大小相差较大。而传统设计方法锚索所产生的预压应力分布,在颈部断面虽也是两侧大中间小,但大小相差无几,说明中间部位预压应力没能发挥作用,造成浪费。新型预应力混凝土闸墩的工作原理是,采用传力梁结构,利用支座反力,将锚索预应力的作用点转移到弧门推力作用线附近,这样两者在颈部断面所产生的应力分布接近一致,而且在颈部拐角处都有应力集中现象。由于充分发挥了预压应力的作用,因而使预应力总吨位与弧门推力之比值等于或小于1,这是传统设计方法不可能达到的经济指标。

应当指出,锚块内预留槽或传力梁结构,只在施工中存在,待张拉锁定后,用混凝土回填以恢复锚块的整体性。运行后,弧门推力是作用在整体锚块上,与传统设计方法的锚块没有任何差别。

2)  预应力混凝土衬砌隧洞

高水头、大直径引水隧洞,除钢筋混凝土和钢板衬砌外,还常采用预应力混凝土衬砌,主要是节省钢材、降低成本和提高隧洞的抗裂能力。在混凝土衬砌一定间距内,预埋管道,并在衬砌混凝土内预留张拉槽口。待混凝土达到设计强度后,从槽口的一端穿入锚索,通过变角张拉装置,千斤顶在槽口外对锚索进行张拉,从而使混凝土衬砌环内产生预压应力。天生桥一级水电站,4条引水隧洞内径均为9.6m、衬砌厚度0.7m,承受内压水头130m1997年在1#洞进口部位选取6m长试验段进行方案比较及施工工艺试验。不同吨位及不同间距的锚索布置,4种不同位置的张拉锚固槽口,其尺寸并各不同。在张拉过程中,除测量隧洞内表面的压缩变形外,还测量混凝土内的应变计、钢筋计以及混凝土和围岩之间的接触情况。为了解张拉荷载沿锚索长度上的分布规律,首先在钢绞线不同位置安装传感器,并在专门拉力墩上进行标定,建立荷载——读数一一对应关系;然后将该绞线编入锚索并穿入孔道内。这样在张拉过程中,通过传感器读数就可以知道锚索不同位置的荷载大小。

2  预应力锚固技术

施加在锚索上的张拉荷载可由锚固段的顶端向下传递,亦可由灌浆体的底部向上传递,这取决于锚索在灌浆体内的锚固方法,通常称为拉力型和压力型。前者锚索埋置在灌浆体内,张拉后,锚索周围灌浆体处于受拉状态进而出现拉伸裂缝。在腐蚀性地基中,对要求具有耐久性的锚索是不利的。压力型的张拉荷载是通过锚索直接传至灌浆体底部的锚板上,因为锚索与灌浆体之间是脱开的。荷载由承压板沿着锚孔向上推压灌浆体并传给周围岩体。

锚索周围环形灌浆体内的应力状态是一个复杂的问题,直到目前很少有关其力学特性的研究,特别是灌浆体薄层、锚孔岩壁、锚索状况等等不确定因素总要影响灌浆体内的局部应力分布。我所上世纪90年代曾对这一问题进行过室内试验及现场试验,并提出改进意见如下:

1)提出复合型锚固方式

在室内用石膏模型试验比较了传统的拉力型和压力型荷载的传递规律,并提出一种介于二者之间锚固方式,称为复合型,其目的是使锚固段的应力分布趋于均匀。尽管两端应力稍大而中间偏小,但最大拉应力和剪应力值却减小一半,其优点是明显的。

2)采用电阻式位移传感器监测钢绞线应力分布

1994年参加国家“八五”科技攻关项目,在李家峡水电站现场进行高边坡岩锚试验,其目的主要是通过原型锚索的变形观测,获得沿锚固段长度上实际荷载分布,作为分析张拉荷载传递规律、锚固机理及合理锚固段长度的重要依据。

岩锚试验区选在左坝肩沟口下游附近,面积约400m2,三种锚固体系共16孔,分上、中、下三层布置。上层为660吨级高强锚杆(f32);中层为6100吨级锚索;下层为4300吨级锚索。采用电阻式位移传感器观测自由段及锚固段内钢绞线上拉力的分布。

3)分散压力型锚固方式研究与应用

四川省铜头水电站拱坝坝肩加固,由于基岩较差,原设计在锚固段需要进行扩大孔径,以增加锚固力。当时因无扩孔设备,即使改进扩孔设备,但扩孔速度十分缓慢而影响施工进度。根据室内试验成果,提出改进压力型锚固方式,即在锚固段内设两块锚垫板,采用无粘结钢绞线,分别锚固在两块锚板上。和成勘院、大连拉伸机械厂合作,现场完成21孔分散压力型锚索,取得良好效果。由于灌浆体大部分受压缩,避免了拉伸裂缝的出现,因而增加了锚固效果和防腐蚀保护的可靠性。

4)镦头锚固体系的改进

钢丝束镦头锚固体系应用于水电工程较早,但在施工过程中十分不便,特别是等长下料与现场镦头,若有一端镦头不合格,则该根钢丝便报废,浪费钢材。1989年岩滩水电站预应力混凝土闸墩施工过程中就遇到钢丝镦头多半不合格。当时水工预应力技术交流会正在该工地召开,多数专家建议改为一端镦头一端夹片锚固体系,经现场试验完全能够满足设计要求,从而大大加快施工进度,减少了钢材的浪费,取得了显著的经济效益。随后,这种锚固体系在麻石大坝加固、水口水电站等工程中得到了应用。

3  体外预应力锚固技术

体外预应力有别于传统的将预应力筋埋置于混凝土内的另一种预应力结构形式。体外预应力筋与结构的联系一般是通过锚具和转向块作用于结构上。

对于体外预应力加固技术,国内外均进行过一些研究和应用,但主要限于简支梁(如桥梁等)等基本构件的加固补强。我所在以往研究和应用的基础上,结合北京市斋堂水库的溢洪道、泄洪洞弧形闸门支承结构的补强加固工程,提出采用单根高强低松弛预应力钢绞线体外预应力锚固技术结构补强加固,该种补强加固技术已获专利。

目前预应力技术水平业已发展到可以适应各种工程条件的需要,预应力荷载从几十kN1kN以上的各种预应力锚索或锚杆,或单独使用,或成组使用,或用于临时工程,或用于永久性工程。既可作为补强加固现有建筑物的手段,也可用于新的工程设计,以及施工阶段——作为解决施工过程中出现特殊问题的应急办法。

预应力技术因其特有的优良特性使其发展很快,应用范围十分广阔,应用数量日益增多,致使它成为坝工建设中不可或缺的技术。


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