穿黄隧洞内衬预应力混凝土强度有限元计算分析

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1、第30卷第7期长江科学院院报VoI．30No．72013年7月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteJu1．20l3DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2013．07．020穿黄隧洞内衬预应力混凝土强度有限元计算分析杨帆。曹生荣(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072)摘要：为验证穿黄隧洞内衬预应力混凝土强度，根据穿黄隧洞双层复合衬砌结构的特点与作用模式，在考虑钢绞线与孔道摩擦、锚具变形及钢筋内缩等引起预应力损失的前

2、提下，采用三维非线性有限元模型对内衬预应力混凝土强度进行了分析与验证。通过计算得出有效预应力在钢绞线上的分布情况，以及分别在张拉工况与设计水头工况下内衬混凝土的内外表面环向应力和平均环向应力的分布规律。计算结果表明：张拉过程中的预应力损失较为严重，需要在施工过程中严格控制张拉应力以及其他引起预应力损失的影响因素，以保证张拉后有效预应力满足强度要求；穿黄隧洞内衬混凝土在两种工况下均实现全截面受压，应力分布满足设计要求，可保证穿黄隧洞的长期有效运行；模拟计算结果的应力参数值与1：1仿真模型试验值吻合良好，变化规律与关键参

3、数均基本一致。关键词：穿黄隧洞；预应力衬砌；三维非线性有限元；强度分析中图分类号：TV332文献标志码：A文章编号：LOOl一5485(2013107—0101—05较大。有些专家学者通过在钢筋和混凝土之间插入界面单元或采用接触分析来模拟这一过程J。然1研究背景而，实际工程中的预应力衬砌存在结构复杂、边界条随着结构设计计算理论与施工技术研究工作的件非线性等各种影响因素，采用上述方法容易导致不断发展与完善，隧洞预应力衬砌技术在水利水电计算结果收敛困难。工程、输水工程等建设中得到日益广泛的应用。穿为此，本文针对穿黄隧洞内

4、衬预应力混凝土结黄工程是南水北调中线的标志性、控制性工程。穿构的特点，在考虑有粘结预应力}昆凝土预应力损失黄隧洞采用盾构法施工，隧洞衬砌为双层复合衬砌的前提下，采用三维非线性有限元模型对其进行结结构，外衬为40om厚预制钢筋混凝土管片，内衬为构强度模拟，计算分析内衬预应力混凝土在钢绞线45cm厚环向预应力现浇钢筋混凝土，内衬与外衬张拉工况和隧洞设计水头工况下的环向应力分布规之间设防排水垫层。这一预应力复合衬砌结构形式律并验证其强度能否满足设计要求。在盾构隧洞工程中尚属首次应用，其中内衬预应力结构形式复杂，施工难度高，

5、是穿黄隧洞发挥预期功效的关键因素，对其混凝土强度进行研究具有重要2计算模型的理论意义与工程实践价值。穿黄隧洞深埋于黄河河床的软土层中，隧洞结构关于预应力衬砌的应力计算，不少专家学者基体主要承受来自于外部的土压力荷载以及来自于内于弹性理论提出了相应的计算方法¨J。此类方法部的内水压力荷载(约0．5MPa)。本文主要针对预简便快捷，但对于复杂的预应力结构问题，仅用上述应力内衬进行结构强度有限元计算分析。根据穿黄方法还不能满足工程实际需求，而有限元方法不仅隧洞衬砌结构受力特性，即内衬与外衬之间设置软垫计算精度高，还可以很好

6、地描述结构的应力、变形规层，使内衬、外衬分别独立承担内水压力和外部水土律，为解决一些复杂的结构分析计算问题提供了有压力，可隔离内衬单独建立模型进行强度分析。效的途径。但在ANSYS中采用实体力筋法分析有计算模型沿纵向取一节内衬(长81TI)，内径粘结预应力混凝土时，若直接采用降温法或初始应7000mm，壁厚为450mm。预应力锚索沿纵向布置变法来模拟，因无法模拟钢绞线张拉时与孔道的滑为每400mm一束，张拉吨位为2500kN，预留锚具移引起的预应力损失，往往使计算结果与实际偏差槽分布于衬砌下半圆的左右两侧，沿纵向成错

7、位布收稿日期：2013-01—17；修回日期：2013-03—21基金项目：国家自然科学基金(51079107)；中央高校基本科研业务费专项资金(5082022)。作者简介：杨帆(1991一)，男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事水工结构研究，(电话)15172332815(电子信箱)setsail@126．com。通讯作者：曹生荣(1976一)，男，浙江金华人，博士后，主要从事水利水电工程施工技术研究，(电话)027—68772221(电子信箱)shrcao@whuedu．cn。长江科学院院报置。预应力筋束采用高强

8、低松弛1860级12~15．24钢绞线，弹性模量为195GPa。内衬采用C40混凝土浇筑，考虑普通钢筋对结构刚度的影响，混凝土单元采用均化的钢筋混凝土折算弹性模量3．30×10MPa，泊松I％o．167，重度24．5kN／m。计算模型网格如图1所示，沿纵向剖分单元40层，预应力衬砌沿径向(管厚方向)剖分6层，单元0l23456789101l12