孟良河倒虹吸预应力混凝土箱型涵结构设计
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摘 要：在南水北调京石段应急供水工程中，仅孟良河倒虹吸和界河倒虹吸两座大型建筑物箱型涵管采用预应力混凝土结构，文中以孟良河倒虹吸为例详细介绍了箱型涵管结构配筋计算方法及封锚措施。
关键词：倒虹吸；箱型管涵；预应力；结构计算；封锚
中图分类号：TU3文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况
孟良河渠道倒虹吸为京石段应急供水工程上的一座大型河渠交叉建筑物之一，位于河北省曲阳县燕赵乡中管头村南1km处，建筑物级别为1级，设计流量为155m3／s，加大设计流量为180m3／s，地震设计烈度为6度；建筑物防洪标准按100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核，建筑物总长475 m，由进出口渐变段、进出口闸室段、管身段及附属建筑物组成，其中管身段为三孔一联预应力混凝土结构。
2 管身结构计算
2.1计算工况
管身结构计算分别进行了承载能力极限状态和正常使用极限状态计算。
2.1.1 承载能力极限状态设计计算
设计持久状况：
工况一：管身过设计流量，河道无水；
短暂状况：
工况二：管身过设计流量，河道100年一遇设计洪水；
工况三：建成无水，河道无水；
工况四：建成无水，河道20年一遇洪水；
工况五：管身过加大流量，河道无水；
工况六：两邻孔检修，一边孔过水；
工况七：一边孔检修，邻孔过水；
偶然状况为：
工况八：管身过设计流量，河道300年一遇校核洪水；
工况九：管身过加大流量，河道100年一遇设计洪水；
工况十：管身过设计流量，管顶埋土被冲，河道无水；
2.1.2 正常使用极限状态验算
作用（荷载）长期组合：
工况一：管身过设计流量，河道无水；
作用（荷载）短期组合：
工况二：管身过设计流量，河道100年一遇设计洪水；
工况三：建成无水，河道无水；
工况四：建成无水，河道20年一遇洪水；
工况五：管身过加大流量，河道无水；
工况六：两邻孔检修，一边孔过水
工况七：一边孔检修，邻孔过水；
2.2 荷载标准值计算
孟良河为一深沟式河槽，河底高程67.50m，两岸平地高程73.00 m，与之相邻的沙河总干渠渠底高程69.50m，堤顶高程74.00m。孟良河倒虹吸为穿河、渠建筑物，管顶高程60.74 m。以最大的埋深断面作为控制断面，荷载计算按埋深12.26m考虑。管上填土为施工开挖土回填，湿容重19.1kN／m3，浮容重10.5kN／m3，内摩擦角18°，上埋式回填土竖向压力系数1.1，地震设防烈度为6度。侧向土压力计算采用朗肯静止土压力公式。
2.3 荷载设计值计算
荷载设计值等于荷载标准值乘荷载分项系数。倒虹吸管所受荷载主要是混凝土管自重、土压力、水压力。
结构自重为永久荷载，分项系数取1.05；
垂直土压力、侧向土压力分项系数取1.1；
地下水压力分项系数取1.0；
洪水压力分项系数取1.1；
2.4 内力计算
倒虹吸内力计算采用《水利水电工程微机通用程序集》（v1.0）中“多孔涵洞内力及配筋计算程序”。计算时取单位管长，应用杆件系统有限元法，侧墙和底板视为弹性地基梁，采用文克尔假定，初参数法求解。
管身为三孔一联的预应力钢筋混凝土结构，结构尺寸见表1。
表1孟良河倒虹吸管身结构尺寸表
3 配筋计算
根据规范《水工混凝土结构设计规范》SL/T191-96规定，倒虹吸管需要进行承载能力计算，正常使用极限状态验算。管身结构安全级别为1级，所处环境条件为二类。管身预应力混凝土采用直线孔道真空灌浆后张有粘结预应力工艺。管身混凝土强度等级C40，顶板和底板采用直线预应力筋，材料选用270级低松弛钢绞线，边墙和中墙内采用低松弛钢绞线φj15.2，固定端（倒虹吸底板处）采用HVM钢绞线梨形自锚头的H型锚固体系，张拉端采用HVM夹片式锚具。
3.1 承载能力计算
根据规范，承载能力计算按建筑物承受设计荷载计算，计算工况1～10工况，内力设计值见表2，每延米配筋结果见表3。
表2预应力混凝土管涵内力设计值
表3预应力混凝土管涵承载能力计算配筋表
3.2 抗裂验算
根据结构内力标准数值，由水工混凝土结构设计规范（SL/T 191-96） 计算初步确定孟良河倒虹吸结构普通钢筋和预应力钢绞线的布置如图1所示，单宽1米所需钢筋及钢绞线数量见表4。
图1 管涵预应力钢绞线布置图
表4预应力混凝土管涵正常使用计算配筋表
4 封锚措施
压浆后应将多余钢绞线切除后保留钢绞线头长30mm，在相关部位进行凿毛处理和化学植筋；将锚头及周边凿毛处混凝土冲洗干净，之后在锚板及锚垫板之间的缝隙处涂抹环氧树脂，然后安装保护罩。保护罩内填满预应力混凝土封锚专用脂，用螺栓将保护罩固定在锚垫板上，最后浇筑C40封锚（二期）混凝土。张拉端封锚大样图见图2。
图2张拉端封锚大样图
5 结论
孟良河倒虹吸箱型管涵采用预应力混凝土方案，工程总投资与普通钢筋方案相比略有减少，且箱型管涵在钢绞线张拉及通水运行过程中均未出现裂缝，结构安全可靠，工程运行良好，也为类似工程设计提供了参考的依据。
参考文献 ：
SL/T191-96，水工混凝土结构设计规范［S］
河海大学，大连理工大学，西安理工大学，清华大学.水工钢筋混凝土结构学［K］
朱新实，刘效尧.预应力技术及材料设备［K］