預應力混凝土面板堆石壩技術及有限元分析

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系到大壩的穩定安全。因此,面板混凝土的防裂、限裂就成為大壩設計的關鍵。防止裂縫的發生,應從提高混凝土自身抗裂能力及減小導致裂縫的破壞力入手。將緩粘結預應力筋鋪設在混凝土面板堆石壩中可以提高結構的剛度,有效的抑制裂縫的開展。通過對某地區一水電站大壩的受力性能進行ANSYS有限元分析,對比施加預應力前后的大壩應力及變形特點,探究預應力技術在混凝土面板壩中運用的合理性。分析結果表明:緩粘結預應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。這是世界首次將預應力技術應用于混凝土面板堆石壩中,標志著中國水利建設進入了一個新階段。

時至今日,預應力技術在建筑、橋梁工程等方面發展已非常成熟。建筑樓板、橋梁梁體中的預應力鋼筋能夠有效的抑制鋼筋混凝土結構表面的裂縫,同時大大地節省鋼材用量,減小結構自重并增加梁體長度。然而,在斯木塔斯水電站建成之前,世界范圍內沒有任何一例采用預應力技術修建混凝土面板堆石壩的先例。究其原因,不外乎以下幾點:相對于建筑、公路、橋梁工程等,水利工程建設難度更大,要求的技術水平更高;預應力施工需要專業性人員,施工時間長,耗費資金大;2000年以前,我國100米以上的超高大壩數量較少,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,隨著國家經濟建設的快速發展,許多地區的電力供應越來越無法滿足人民群眾生產生活的需求。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力超過混凝土自身的抗拉強度或極限拉應變而使面板產生裂縫,對長面板則更為不利。[1-4]因此其發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向著更高更大的方向發展。新疆斯木塔斯水電站的建成為我們開辟了一個全新的思路:預應力技術將是今后水利大壩建設的新趨勢。

1 預應力技術在混凝土面板堆石壩中的應用

適用于水工建筑物的預應力鋼筋為高強度低松弛預應力鋼筋。這種鋼筋經鋼經絞線絞捻而成,且要在350~400℃的高溫環境下熱處理。經過熱處理后的鋼絞線強度大大提高,結構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應力損失。目前市面上常見的預應力鋼筋有3種:有粘結預應力筋、無粘結預應力筋、緩粘結預應力筋。

有粘結預應力筋即光面鋼絞線,它是由7根1860MPa的鋼絞線絞捻而成。若將此種有粘結預應力筋應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,再將管道鋪設到已架好的鋼筋網中)或“后穿法”(先將管道鋪設在已有鋼筋網上,再穿入鋼絞線)埋設管道,然后澆筑混凝土。待混凝土達到規定強度后方可進行預應力張拉。“埋管成孔”的施工工藝繁瑣復雜,一定程度上破壞了結構的整體性。施工方法耗費了大量的時間,對于限制工期的工程不適用。

無粘結預應力筋的制作方法是將光面高強度低松弛鋼絞線擠壓后在其表面涂上工業油脂并外裹PE護套。與有粘結預應力筋相比,無粘結預應力筋不需要預留孔道、孔道灌漿等工序,施工方便,加快了施工進度。目前,無粘結預應力筋已在大型薄壁三向混凝土箱梁、渡槽施工,水工隧道預應力混凝土襯砌等方面得到了成功應用。但是由于無粘結預應力筋采用“后張法”施工,鋼筋和混凝土可產生縱向滑移,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境惡劣的條件之下,一旦預應力筋發生腐蝕、斷裂,都將會影響結構的受力性能,對于混凝土面板堆石壩不適用。

3 結論

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

2.預應力面板堆石壩技術是將高強度低松弛的緩粘結筋布設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部應力,有利于減輕結構自重,抑制裂縫發展。特別適用于水工大壩這類對裂縫有較高要求的結構。預應力技術使結構受力更加均勻。

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

4根據等強度換算原則,預應力鋼筋的需用量大約為整個大壩面板配筋的20%。

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