大流量预应力渡槽设计和施工技术研究

1、大流量预应力渡槽设计和施工技术研究三关键技术1大型渡槽温度边界条件及荷载作用机理及对结构的影响研究；高承载、大跨度渡槽 结构新型式及优化设计研究；大型渡槽新材料,止水、支座等新结构研究.1处于大气对流、日辐射、骤然温降等复杂环境中的渡槽温度边界条件和主要影响因素 确实定,沿线水温模型确实定,时变温度应力计算的初始温度场确实定.2大型有限元通用软件进行多向预应力混凝土结构设计计算方法,包括有限元分析中施加预应力的方法、预应力损失的模拟、张拉顺序的优化以及预应力渡槽结构设计中的结 构力学方法和弹性理论的有限元方法相结合的问题.3竖向荷载与水平荷载共同作用下的群桩-土-承台共同作用机理与设计计算方法

2、,以及桩基的优化设计,群桩-土 -承台三者的工作性状的数值模拟.4软岩嵌岩桩荷载传递机理的研究,以及嵌岩桩基承载力的设计计算方法.5混凝土开裂敏感性试验与评价方法,如何从材料配比与微结构优化方面提升高性能混 凝土的抗渗、抗碳化与抗冻等问题.2渡槽和槽墩支柱的抗震性能研究；减震举措研究.1考虑土-渡槽结构相互作用的拟动力试验,模拟地震对渡槽结构的作用.2渡槽结构动力特性和动力响应原型试验试验条件的实现.3桩基一土动力相互作用的数值模拟.4桩基一土动力相互作用的室内模型试验技术和本构模型.3渡槽施工技术及施工工艺研究,研究施工质量限制指标及限制方法.1大型渡槽预应力混凝土叠合结构施工技术和施工工艺

3、.2渡槽高性能混凝土的防裂施工技术和施工工艺.3预应力混凝土结构渡槽的施工质量限制方法及限制指标.4外部裂缝预防及补救举措以及与此相关的新型涂料开发.1在模拟实际结构内部条件下养护的混凝土材料的力学、热学及宏观体积变化性能的测定方法.2基于混凝土水化硬化速率、结构形式及环境条件的混凝土结构内温度场和湿度场随混 凝土浇筑龄期的变化规律.3混凝土结构内部与约束、温度、湿度相关联的应力分布随时间的变化模型及三维仿真 计算方法.4渡槽结构的裂缝限制实验模型的制作和实验技术.5渡槽施工和运行期间的实时监测及评估.6混凝土结构开裂风险的表征,判据的建立,开裂风险评估分析程序的开发.5大型渡槽的耐久性及可靠

4、性研究.1大型渡槽混凝土耐久性作用机理的研究.2大型渡槽混凝土耐久寿命预测模型的建立.3由于基于可靠度理论的渡槽可靠性计算结果的实用性和可靠性依赖于影响渡槽平安 的主要参数的准确性,对于渡槽来说模型试验与实际情况有一定差异.因此,如何充分 利用类似工程的数据以及如何在小样本情况下确定渡槽平安分析主要参数的概率模型及 其统计参数是渡槽可靠度分析中的技术难点.4) 如何建立合理的渡槽结构抗力衰减模型,在此根底上提出可行的渡槽时变可靠度分析 方法.5) 如何确定渡槽下部灌注桩根底中缺陷的统计特性, 在此根底上分析含有缺陷桩根底的 可靠度.(6) 研究地震、预应力失效、施工及运行中出现的表层裂缝、止水

5、失效、根底失稳等各 种可能导致大型预应力渡槽失效的破坏模式、破坏机理及对渡槽造成的危害程度,以及 相应的预防及补救举措.多因素作用下大型预应力渡槽失效模式的识别方法是综合研究地震破坏、预应力失效、混凝土结构裂缝、止水失效、根底失稳等导致大型预应力渡槽失效的模式、破坏机理及对渡槽造成危害程度的评价的主要技术难点.(四)技术特点和创新点本课题针对目前南水北调中线大流量预应力渡槽在设计、施工中尚无完全解决的理论和 技术问题开展研究,其研究成果将会促进大流量预应力渡槽在设计、施工方面的技术水 平,可直接具体指导南水北调大流量预应力渡槽的设计和施工实践,具有较多的创新点,主要创新点如下：(1) 首次提出

6、施工期和运行期各种复杂气候条件下大流量预应力渡槽温度边界条件和温 度场的计算方法,并进行温度应力计算,对温度荷载对不同渡槽结构的影响进行较全面 的研究.(2) 提出充分利用材料潜力,充分利用结构自身跨越水平,自重小,承载力大的大流量 预应力渡槽新结构(多厢矩型和多厢 U型预应力渡槽).(3) 提升软岩嵌固桩根底承载力的工程举措及不等高基岩面长短桩设计方法.(4) 研制出适合大流量预应力渡槽的高强度、高抗裂混凝土材料,高可靠性止水和高承 载减震支座.(5) 建立大流量预应力渡槽抗震的分析计算方法,包括渡槽拟动力分析、渡槽内水体和结构的液固耦合计算、桩-土动力相互作用及相应的结构避震举措研究.(6

7、) 借鉴桥梁及工民建的先进施工技术,提出可行的大流量预应力渡槽槽身、根底和预 应力的施工技术和工艺,并提出相应的施工质量限制指标和限制方法及举措.(7) 在研究各种大流量预应力渡槽失效和破坏模式的根底上,提出相应监测预防与加固 补强举措与方法.(8) 大流量预应力渡槽裂缝形成的机理及裂缝限制成套技术.(9) 研制新型大流量预应力渡槽保温防渗防水涂料.(10) 提出大流量预应力渡槽混凝土材料耐久性指标及设计要求研究.(11) 提出基于可靠度理论的渡槽时变可靠性分析方法.(12) 对大流量预应力渡槽开展原型试验,目前国内外尚无前例,试验可为后续工程渡槽 的设计和施工提供珍贵的数据.二、课题年度考核

8、指标及主要技术经济指标完成情况(一)课题年度考核指标及主要技术经济指标根据课题工作大纲的进度安排,2007年度(含2006年)课题考核指标及主要技术经济指标如下：(1) 2006年研究方案资料收集、制定研究方案和工作大纲,签订子课题研究协议书.(2) 2007年研究方案2007年度主要研究内容目标有： 完成温度边界试验,提出大流量预应力渡槽的温度边界及温度场计算方法；完成槽身优化结构型式及计算方法研究； 完成在不等高基岩面上的软岩嵌固桩根底承载力研究； 完成大流量预应力渡槽新材料、止水的研究； 完成大流量预应力渡槽的抗震分析模型和计算方法； 完成大流量预应力渡槽施工质量限制指标及限制方法研究；

9、 完成大流量预应力渡槽裂缝形成机理及裂缝限制成套技术； 完成大流量预应力渡槽保温防渗防水涂料； 完成大流量预应力渡槽耐久性指标及设计要求研究.2007年度考核指标有：提交年度报告；完成35篇论文.(二)完成情况根据课题研究治理方法的要求,课题组织单位及课题负责人对工程的研究进度进行了有效的组织和治理工作,完成了 2006年度、2007年度总体研究目标.(1) 2006年考核指标完成情况已完成相关的资料收集,并完成了研究方案和工作大纲的制定,同时课题组织单位与各 课题协作研究单位之间已就课题研究任务及合作签订了子课题研究协议书.(2) 2007年考核指标完成情况根据2007年的研究目标,目前完成

10、情况如下：针对目标：已完成槽身温度边界和槽内水温度边界的计算方法,同时给出了渡槽温度场计算方法.给出了适用于南水北调中线大流量渡槽的新型多厢梁式渡槽优化结构,针对该结构提出 了特大型渡槽的平面问题和空间问题相结合的分析方法；完成了基于大型有限元平台一 ANSYS勺完全参数化的矩型、U型渡槽的有限元分析建模及分析计算程序.渡槽温度边界试验已经启动,正在进行当中.针对目标：提出了不等高基岩面上软岩嵌岩桩承载力计算方法,以及渡槽下部结构设计优化.针对目标：进行原材料优选与性能测试,完成高性能混凝土主要原材料限制指标研究；完成高性能 混凝土配合比优化设计、力学性能、热学性能研究；并比方案提前进行了初步

11、的耐久性 试验；完成了渡槽高性能混凝土的配制与耐久性提升技术研究；完成了渡槽高性能混凝 土高性能形成机理研究；完成了渡槽高性能混凝土施工暂行技术条件研究.已完成大型渡槽伸缩缝止水失效的原因分析,并确定了止水方案和质量限制举措,完成 了伸缩止水结构的研究.针对目标：完成了大流量预应力渡槽的抗震分析有限元模型和计算方法研究,对渡槽自振特性和动 力结构响应进行了分析和计算.提出了大型渡槽桩基-土相互作用计算分析方法和减震举措.对拟动力模型试验进行了方案设计,对试验模型方案进行了有限元模拟计算,比拟了多 个模型方案,正在进行拟动力模型试验的准备工作.针对目标：开展了预应力张拉限制技术研究,已完成了预应

12、力孔道成型、预应力筋制作、预应力筋 张拉和锚固等技术研究.开展了渡槽施工期混凝土养护举措与温控研究,制定了具体举措和限制要求.通过相关技术的收集和研究,初步拟定了渡槽施工方案.完成了?渡槽设计标准?的编制工作.针对目标：开展了高性能混凝土防裂技术研究和基于抗裂耐久的渡槽高性能混凝土主要原材料限制指标研究,提出了初步的数据.完成了渡槽高性能混凝土抗裂性提升技术研究.通过对多个典型大型渡槽开展结构静应力和动应力计算,分析了自重荷载、水荷载、温度荷载和地震荷载对结构裂缝形成的影响,并提出了相应的处理方案和举措.通过对施工举措及养护的研究,给出了大型渡槽施工期裂缝的预防举措.目前该研究已完成大局部理论

13、研究工作,相关试验工作正在开展中.针对目标：已完成渗透结晶型防水材料的开发；同时水泥渗透结晶型防水材料用于本身结构已很致 密的C50高性能混凝土槽壁防渗的技术的研制进展顺利.从上述研究可以看出,2007年度课题总体进行情况良好,根本完成了预期的研究工作, 完成了 5篇论文,为下一年度研究工作打下了良好的技术根底.三、课题进展情况评价(包括目标、任务进展情况、已解决的关键技术、已取得的重大 科技成果、已形成标准和专利情况、已获得的各种奖励情况、整体水平及配套性以及已 建成的试验基地、中试线、生产线等情况)(一)已解决的关键技术和取得的重大科技成果1.大流量预应力渡槽温度边界条件及荷载作用机理及对

14、结构的影响研究；高承载、大 跨度渡槽结构新型式及优化设计研究；大流量预应力渡槽新材料,止水、支座等新结构 研究.(1)完成了大型渡槽运行期温度边界条件的计算方法 温度边界条件的计算置于自然环境中的渡槽结构,其结构温度主要受持续变化的气温、太阳辐射及槽内水温 的影响.通过研究,给出了考虑了气温、槽内水温、太阳辐射、大气对流及自身热辐射 等因素的影响渡槽温度边界的计算方法和计算公式. 槽内水温的计算通过建立采用含相变的一维非恒定水-冰混合流动扩散模型来计算中线十渠全线的水温,渠内水温确实定考虑了气温、太阳辐射、水面蒸发、上游水温等多种因素的影响, 由此来确定不同区域不同季节时的槽内水温.(2)完成

15、了温度荷载作用机理及对渡槽结构的影响研究对温度荷载的作用作了深入研究,探讨了在夏季日照和冬季寒流等不利条件下的温度荷 载计算方法,对完善渡槽结构在不利温度场条件下计算分析具有重要的参考价值. 分析了运行期及施工期温度荷载对渡槽结构的影响及不同型式的大型预应力渡槽温度荷载的特点,通过研究认为温度荷载是影响大型渡槽结构平安的重要荷载,具有非线 性特点,须采用瞬态的分析方法. 运行期渡槽外壁温度梯度远大于内壁,沿槽壁方向温度梯度具有明显的非线性的特 点.由气温、日照、槽内水温和寒流等因素形成的温度拉应力比拟可观,在夏天日照工 况可达2N/mrh在秋冬季温降工况可到达3N/mrH渡槽结构温度应力具有明

16、显的空间特点,由于存在应力集中的现象,矩形渡槽的温度拉应力值相对U形渡槽的要大,但其分布范围有限较U形小. 施工期的温度应力可以通过合理的温度限制举措减少其不利影响；运行期的温度应力可以通过合理的预应力钢筋的布置及外表保温举措,可以消除其不利的影响.(3) 渡槽温度场及温度边界试验研究考虑实际工程渡槽的尺寸和人工气候环境模拟实验室的试验空间,基于一定的相似关系,设计了渡槽温度边界的试验模型,改良了相应的试验装置,制定了可考虑日照、降雨、 温度、湿度、风速、结冰和气温骤降等气候环境的试验工况,安置了近千只温度、湿度、 应变、应力和风速等传感器,并进行了相应的预试验.(4) 高承载、大跨度渡槽结构

17、新型式及优化设计研究 提出了适用于南水北调中线大流量渡槽的新型多厢梁式渡槽结构及其优化思路和方 法.根据大型渡槽的特点,综合考虑渡槽结构的可靠性、经济性和施工的便利性,根据 渡槽结构的优化思路和方法确定渡槽的结构型式(包括纵向支承结构型式和槽身横断面 型式),在此根底上选择多种结构尺寸方案进行结构计算分析及设计,以限制截面拉应 力及经济配筋率作为限制指标优选槽身跨度及槽壁厚度等主要尺寸. 提出了特大型渡槽的平面问题和空间问题相结合的分析方法.应用传统的平面结构力学方法和三维有限元分析分析方法设计大型渡槽可遵循以下方法 和步骤：根据渡槽结构的优化思路和方法确定渡槽的结构型,拟定槽身跨度及槽壁厚度

18、等主要尺 寸.多厢联合布置的渡槽宽跨比比拟大, 空间作用比拟明显,由于边墙和中墙的荷载/刚度比 值不同,在垂直荷载作用下的位移不同,在渡槽的横向计算中应考虑两者相对位移的影 响.采用Ansys有限元分析软件,计算渡槽在外荷载作用下的截面应力状态和边墙、中 墙的相对位移.用平面结构力学方法,将渡槽划分成纵向、横向平面结构进行内力分析和结构设计,初 步确定预应力钢筋数量.在对平面结构进行内力分析时,应考虑边墙和中墙相对位移的 影响(也可以根据有限元计算的截面应力状态,然后根据应力图形配置钢筋).对初步选定的预应力钢筋品种、数量和布置方案,计算张拉限制应力、预应力损失.对钢筋根据等效原理进行简化布置

19、.用三维空间有限元程序对结构进行反分析,计算渡槽各局部的应力. 结合具体工程,利用大型通用有限元平台 ANSYS编制了适应性强、多参数限制的 参数化预应力三维有限元分析的相关建模、计算程序.使用该程序,可以极大地提升具 有较复杂体型的三维U型和矩型渡槽结构的分析效率和分析精度. 取得了一些对渡槽工程设计有意义的结论：对于矩形截面方案,横向拉应力最大值一般出现在跨中附近的横梁,且在中间槽横梁跨 中下外表.板上的最大横向拉应力值也出现在跨中附近的板上,且在板靠近支座附近的 上外表.纵向应力的分布规律与端部的约束方式关系很大：当端部为简支时,纵向最大 拉应力值一般出现在纵梁的跨中下外表；当端部连续时

20、,纵梁的跨中下外表的纵向拉应 力也是一个较大值,但最大纵向拉应力出现在上翼板靠近支座处.对于U形截面方案,横向应力的最大值出现在靠近支座附近槽底的上外表.纵向应力的 最大值仍位于跨中的最底部.但当支座处连续时,应力分布特征更为复杂,支座附近的 上部拉杆会出现很大的横向拉应力.支座附近的槽底上外表会出现很大的纵向拉应力.对于矩形截面方案,当跨度在 40m左右时,跨度的改变不会明显改变横梁以及板的最大 横向拉应力,但会显著地改变纵向最大拉应力.对于矩形截面端部简支方案,当跨度在 30m左右时,整体结构的三维效应增强,跨中横 梁上的最大横向拉应力有了明显减小,但板上的最大拉应力跟跨度为40m相比拟时

21、,变化很小.矩形截面端部连续方案会改善跨中横梁的横向应力,但对跨中板的横向应力影响其微. 也会显著改善纵梁上的纵向应力,但会使上部翼板上产生很大的纵向拉应力.矩形加肋方案会明显改善跨中横梁的横向应力,但对跨中板的横向应力根本无改善,其 至使板上的横向应力变得更大.当然,加肋后可以显著减小边墙厚度,对其它局部影响 不大.U型渡槽端部改为连续后,槽底的横向应力值有了很大改善,但靠近支座的上部拉杆会 出现较大的横向拉应力,而且应力的分布规律变得更为复杂.(5) 不等高基岩面上的软岩嵌固桩根底承载力研究 大型渡槽下部结构型式及优化设计研究提出了针对不同水文地质条件情况下、渡槽与挖方明渠之间的过渡段的组

22、合根底和特殊 根底型的合理型式、渡槽根底的合理桩根底类型和进行优化设计；总结出软岩地基桩基 础的承载力特性和计算方法. 超大承载力桩及桩群承载力计算方法及优化设计研究提出了嵌岩桩承载力的计算方法,进行嵌岩桩承载力理论计算结果与试桩成果比照分析, 成果在实际工程设计中的应用.实际工程渡槽桩基承载力与沉降的验算,以及桩基承载 力的数值模拟.通过研究,可得出以下结论：根据东江-深圳供水工程金湖渡槽抽芯检测桩底沉渣情况,钻孔灌注桩桩底的沉渣厚度 为410cm 1号、57号承台的累计沉降为3mm 95%勺嵌岩桩从开始观测到至今没有沉 降发生.根据金湖渡槽5根试桩静载资料,试桩的极限荷载与桩身混凝土的强度

23、确定的 数值相近,而标准确定的极限承载力仅为试桩的极限荷载的1/3.说明嵌岩桩的承载力远未发挥,按标准设计的嵌岩桩的平安度过大,值得设计单位借鉴.本工程组提出的应力路径扩孔法确定嵌岩桩的承载力方法,在嵌固段岩层能形成扩径效 果时,计算结果与实测结果接近(不同长度的6根试桩,嵌入弱风化岩层2m计算值与 实测值相差不超过土 5%),可供设计单位参考.对于不等高基岩面上的软岩嵌固桩,采用长短桩组合方案,保证每个桩进入微风化层一 定深度,由此引起的不均匀沉降和短桩对长桩的影响等均不大,在条件适宜的情况下, 长短桩应该考虑交错布置,减少短桩对长桩的影响.采用后灌浆方案,可将桩设置成等 长,桩端嵌入中风化

24、岩层即可.其承载力的计算,可用应力路径扩孔法来确定,后压力 灌浆提升承载力局部作为平安储藏考虑.为了克服桩底沉渣的影响,建议对每根桩都进 行桩端灌浆.桩端灌浆技术与壁后灌浆结合,效果更佳.该方案同样可以节约工程量. 两者并不相互矛盾,相反,两者可以同时使用,优势互补,相得益彰.一方面,长短桩 组合方案的应用,保证桩尖均嵌入弱风化基岩,在满足承载力和稳定要求的前提下,可 以适当降低后灌浆的要求；另一方面,灌浆后的桩周土各种力学性质都有所提升,有助 于减小长短桩的相互影响,正常发挥嵌岩桩的承载水平.在能够满足承载力要求的情况下,可以在进一步的设计中适当减小桩径,增大桩间距. 由于工程规模很大,而且

25、重要,现场试桩是必不可少的,最好是能结合本报告设计试桩, 然后进一步研究优化方案.从时间、经济的角度出发,试桩不宜完全采用真型桩,可考 虑采用缩尺真型试桩的方案.软岩的蠕变以及软化是值得注意的问题,后灌浆技术一定程度上可以缓解或消除这方面 的不利影响,但具体的情况还有赖于对试桩结果的研究；断层需进行必要处理,如果结 合桩的后灌浆技术施工,尚需现场试验等手段进行评估,或运用地质物探的先进技术予 以检验.按?公路桥涵地基与根底设计标准?(JTJ 024-85)及?建筑桩基标准?(JGJ 94- 94)等 标准进行设计时,还需与试桩情况进行对照分析,设计值与实测值相差较多的例子并不 鲜见.如果参数选

26、取得当,计算方法适宜,三维有限元分析方法得到的计算结果往往比 较准确.现行的诸多标准中只给出了嵌岩桩单桩承载力的求法,设计准那么应向变形和强度限制的 双准那么方向变化,沉降和承载力双准那么限制的嵌岩桩的设计方法可供设计单位借鉴.从 嵌岩桩承载机理出发,适当增大允许沉降量可极大地提升桩侧岩土层的阻力,并使桩端 阻力也能更大地发挥作用,只要桩根底满足运行阶段沉降和承载力的要求,就不必由于 是嵌入岩石中的桩就对其沉降要求更为苛刻.对丁连续梁式的渡槽结构而言,其运行阶 段的沉降限制要求极为严格,但是如果能够采取举措减小运行阶段沉降,同时增加总沉 降,充分发挥嵌岩段的侧阻和端阻,那么必定能产生良好的经济

27、效益,同时对丁嵌岩桩的 研究和应用也是一大促进.大型渡槽嵌岩桩承载力与沉降可靠度研究可以处理设计中的不确定因素(如荷载,侧阻和端组,土性参数,不同地质条件和施工工艺的变异性 ),并定量地反映在参数和计算模 式中,使下部结构和上部结构能到达较为一致的可靠度水准,使渡槽的整体设计更加符 合平安可靠、经济合理的原那么.(6) 大流量预应力渡槽新材料通过胶凝材料体系、水胶比、掺合料掺量的优化,配制了工作性、强度满足设计要求,抗裂、抗渗性能较好,水化热较小、收缩徐变低的渡槽 C50高性能混凝土,提供了两个 混凝土配制方案.成功地应用温度应力一试验机法、 大板法开展了混凝土抗裂性能研究. 主要研究内容有：

28、 混凝土主要原材料试验分析包括水泥与掺合料、碎石、河砂、外加剂、纤维的性能要求研究. 高性能混凝土主要原材料限制指标研究完成了对水泥、矿物掺和料、细集料、粗集料、化学外加剂和水的主要限制指标进行了 研究. 高性能混凝土配合比设计优化与主要物理力学性能试验从混凝土强度、工作性、体积稳定性和耐久性为一体的设计要求出发,结合原材料性能, 对渡槽高性能混凝土进行了方案优选和配合比优化,目前确定的高性能混凝土配合比见 表1.表1 C50高性能混凝土配合比万案配合比(kg/m3)配合比设计参数水泥粉煤 灰矿粉河砂碎石水水胶比胶材用量kg/m3 沏为夕卜加其它砂率剂掺量13849672410861540.3

29、248040%1.0粉煤灰20%粉煤灰2360724872410861540.3248040%1.015%矿粉10%表2 C50高性能混凝土主要性能指标万案抗压/劈拉强度MPa弹性模量104MPa抗冻等级氯离子扩散系数RCM 法x 10-12m2/s电通量C_ 7d28d7d28d28d 128d*6d28d56d I154.9/3.5270.0/4.514.114.72目前1 3.04 1P 1.58408261.0/3.6575.6/4.573.984.53F1003.241.80504工作性：高性能混凝土坍落度和坍扩度为210220mm、530590mm 2h 经时后分别为 170mm1

30、90 420450mm 初凝 18h,终凝 20h,含 气量2.4%.热学性能：高性能混凝土中掺入 20晰煤灰或15晰煤灰+10%T粉,可降低混凝 土水化热14咧日17%降低绝热温升值11%接近7C、14%接近10C,有 利丁温控防裂.混凝土绝热温升在1.5天内上升迅速,之后趋丁平缓,1.5天绝 热温升值即到达最终绝热温升值的 95%Z上350020406080100120140160130由、上海革新泵业WWW. GxPunip. com图1粉煤灰掺量对水化放热量的影响上海革新亲业 www-GxPump a com图2不同胶凝材料组成对水化放热量影响200300400?00600 7f>

31、;n上海革新泵业WWW.GxPump. com图3渡槽高性能混凝土绝热温升曲线(A1 普通C50高强混凝土； A2 一掺20%粉煤灰C50高性能混凝土； A3 一复掺15%粉煤 灰、10%矿粉的C50高性能混凝土；力学性能：所配制的高性能混凝土均能到达配制强度60MPa和抗压弹性模量 4.0 >104MPa的要求.粉煤灰或粉煤灰与矿粉复合掺合料的掺入,不同程度的影响了高性能混凝土早期强度的开展,但却具有良好的后期强度开展的潜力,其力学性能与普通强度等级C50混凝土均相当或超出.因有钢筋张拉时间限制问题,为保证按时施加预应力,故粉煤灰掺量限制 20%为宜.20%粉煤灰略降低混凝土劈拉强度和

32、弹性模量,但无明显影响,因混凝土的弹性 模量更大程度上取决于混凝土的抗压强度,同时集料的品种、集料本身反抗变形的水平也对混凝土弹性模量产生显著影响. 混凝土抗裂性能初步试验收缩、徐变变形性能高性能混凝土掺入 20%粉煤灰或25%粉煤灰与矿粉复合掺合料后,干缩值和徐变值明显下降,180d干缩分别下降19%和28%, 90d徐变(28d加载龄期)降低 了 42%和44%,即高性能混凝土掺入适量掺合料,反抗变形的水平有明显提升.抗裂性能大板法开裂试验说明,高性能混凝土掺加适量矿物掺和料可以提升混凝土的抗裂 性能,掺20%的粉煤灰单位面积上的总开裂面积降低了42%,掺25%粉煤灰与矿粉的复合掺合料,单

33、位面积上的总开裂面积降低了47%;每m3混凝土掺入0.75kg的聚丙烯纤维,单位面积上的总开裂面积降低了83%,抗裂性能提升更为明显. 混凝土耐久性能初步试验掺加适量矿物掺和料可以提升混凝土的抗渗性能和抗冻性能.掺20%粉煤灰、掺25%粉煤灰与矿粉的复合掺合料,混凝土28d氯离子扩散系数为 3.04、3.24 X0-12m2/s,分别较同强度等级普通混凝土降低 35%、30.8%, 56d氯离子扩散系数为 1.58、1.80 X0-12m2/s,分别较 同强度等级普通混凝土降低51.5%、44.8%, 28d电通量408、504C,分别较同强度等级普通混凝土降低46%、33.3%.掺入0.75

34、kg m 3的聚丙烯纤维对混凝土抗渗性能几乎没有影响.掺20%粉煤灰,掺25%粉煤灰与矿粉的复合掺合料,混凝土经过100次冻融循环后,相对动弹性模量都在 95%以上,质量损失率几乎为 0%,而同强度等级的普通混凝土经过100次冻融循环后,相对动弹性模量为55%,低于60%,混凝土已冻融破坏.综合来看,根据优选配合比制备的混凝土,不仅工作性、凝结时间、7d抗压强度、弹性模量满足设计要求,28d抗压强度满足配制强度要求,而且主要技术性能尤其是耐久性和变形 性能明显改善.(7)止水、支座等新结构研究 从止水结构、材料及施工方面分析研究了渡槽伸缩缝止水失效原因,确定采用嵌缝止水方式作为渡槽伸缩缝止水型

35、式、有机高分子复合材料作为渡槽伸缩缝止水材料、选用冷施工作为止水方式首选的止水方案.针对大流量预应力渡槽伸缩缝对止水材料性能的要求,为适应大型渡槽伸缩变形三向变位的特点,结合东深供水渡槽U形GB复合橡胶止水结构型式和漕河渡槽连体式止水伸缩装置,提出了改良型的内贴U型复合式伸缩止水装置,预防了丙乳砂浆填槽,方便了后期检修更换 通过有限元模拟计算,渡槽结构减震支座,如铅芯橡胶支座和球型抗震阻尼支座,能有效地减少大型渡槽地震反响,设计中应采用.2. 渡槽和槽墩支柱的抗震性能研究；减震举措研究.(1) 渡槽结构自振特性的计算成果对于渡槽结构的自振特性进行了分析,分析时采用不同支座型式和不同的水体模拟方

36、法,并且考虑了桩-土-结构-水体相互作用的影响,计算结果说明渡槽结构前三阶模态分别为横槽向一阶、顺槽向一阶和扭转一阶.渡槽结构(考虑槽体内有水、无水及桩一土相互作用条件)的前三阶自振频率在1.02 2.40Hz 之间.槽内水体越多,结构自振频率下降得越多.采用减震支座时渡槽结构的自振频率也有一定的降低.(2) 渡槽结构动力响应的计算成果渡槽动拉应力较大部位为：渡槽支座附近的纵梁；渡槽接近支座的底横梁；接近支座的拉杆 杆端；承台底面靠近角部区.渡槽结构的动应力和位移：折减后地震动应力最大值在7度地震时为1.36MPa, 8度地震时为2.7MPa,均发生在承台底部靠角部位；位移最大值在 7度地震时

37、为8.45mm, 8度地震时 17.0mm,发生在渡槽中段边墙和中墙的中部.(3) 桩基一土动力相互作用的数值模拟完成了实际工程的渡槽桩基的模态分析和渡槽桩基地震时程分析报告；地震作用下渡槽桩基的设计计算和设计优化研究报告 由于没有找到适宜的工点,课题尚未完成超大承载力桩静载试验方法的研究工作(试桩的缩尺真型现场试桩的方案和现场原型试桩方案设计),该项工作将推迟至 2021年度上半年完成.(4) 减震支座研究对不同的减震支座进行了有限元计算分析,渡槽结构减震支座,如铅芯橡胶支座和球型抗震阻尼支座,能有效地减少大型渡槽地震反响,设计中应采用.完成了支座选型.借鉴桥梁工程设计经验,研究了大吨位盆式

38、橡胶支座(GPZ)和弹性减震球型钢支座(JQGZ)性能,从耐久性和抗震性考虑,推荐采用减震球形钢支座.该支座中 的受力部件均采用钢材,可保证100年以上无老化问题； 减震支座可万向承载, 即可承受压力、上拔力、任意方向的剪力,承载力的大小可根据要求设计,一般系列化产品吨位为 100050000KN ;地震时,减震支座可使地震力峰值大大减小(50%以下),特别适合于地震高裂度区；该支座已在大跨度空间结构、大跨度桥梁、大型水工结构等方面中成功应用.(5) 拟动力模型试验已经对试验模型方案进行了有限元模拟计算,比拟了多个模型方案,正在进行拟动力模型试验的准备工作.3. 渡槽施工技术及施工工艺研究,研

39、究施工质量限制指标及限制方法.(1) 预应力张拉限制技术研究南水北调大型梁式渡槽为后张法预应力混凝土结构,多采用三向预应力结构,预应力钢束为高强度低松弛钢绞线.混凝土的强度和龄期应严格按设计要求进行,对大型渡槽工程要求混凝土到达设计强度后张拉.张拉采取应力、伸长值双限制,以应力限制为主,伸长值校核. 对钢绞线下料及安装、锚具安装、钢绞线张拉、预应力孔道灌浆、多余钢绞线切割、封锚、 防腐等进行了分析研究,已完成了预应力孔道成型、预应力筋制作和预应力筋张拉顺序与控 制要求和钢绞线夹片锚固体系及技术的研究.(2) 渡槽施工期混凝土温控研究与养护限制渡槽槽身段非汛期施工,混凝土浇筑将夏季高温与冬季低温

40、,为了预防混凝土裂缝, 提升浇筑质量,必须从原材料选择、配合比设计、施工安排、施工质量、混凝土温度限制、养护等 方面采取综合举措,做好温控与养护也是关键的环节.混凝土养护混凝土浇筑完毕后,应及时晒水养护,保持混凝土外表湿润. 养护前宜预防太阳光曝晒.混凝土应在浇筑完毕后618h内开始洒水养护,混凝土应连续养护,养护期内始终使混凝土外表保持湿润.混凝土养护时间,不宜少于28d.混凝土温度限制 制定了混凝土降温举措、混凝土低温季节施工要求、温度测量限制、混凝 土外表保护举措.目前施工质量限制指标及限制方法研究工作还在进行中,成果需要结合试验进一步检验并补充完善.施工方案与施工工艺的研究也在开展.(

41、3) 大型渡槽施工技术在总结前期研究工作的根底上,通过进一步收集国内外大型架桥和造桥设备及其施工水平信 息资料,对渡槽施工方案进行了初步拟定.根据渡槽规模和槽体重量,矩形渡槽建议采用下承式移动模架现浇方案,U形渡槽建议采用整孔预制架设方案或移动模架现浇方案.此外,还就满足施工设备运行所需的槽体间最小距离和下部结构布置及运梁台车进行了研究和咨 询.4. 研究地震、预应力失效、施工及运行中出现的表层裂缝、止水失效、根底失稳等各种可 能导致大型预应力渡槽失效的破坏模式、破坏机理及对渡槽造成的危害程度,以及相应的预防及补救举措.(1)混凝土结构早期裂缝调查分析对国内1078个水利工程、桥梁工程和工业与

42、民用建筑工程所使用的混凝土材料配合比等情 况进行了统计分析,归纳出混凝土配合比明确的开展规律,总结出现代混凝土的根本特征, 建立了现代混凝土裂缝限制数据库,为渡槽混凝土的选择和裂缝限制及耐久性限制和设计提供统计数据.(2)高性能混凝土早期开裂机理及预防举措的研究(离心泵)提升混凝土耐久性并保证其使用寿命的主要举措可分为两方面：一方面保证混凝土强度的同时,使混凝土足够密实, 从而降低各种侵蚀性介质的渗透,预防或延缓钢筋的锈蚀；另一方 面是减少或预防混凝土各种裂缝,尤其是早期裂缝.随着高性能混凝土在桥梁等混凝土工程上的推广应用,高性能混凝土发挥了其独特的优势. 但同时也逐渐暴露出其存在的一些缺陷,

43、很突出的一个问题就是高性能混凝土的开裂问题. 同普通混凝土相比,高性能混凝土的组成与结构有以下特点：水泥强度等级偏高,掺入了大量的高细度矿物掺合料；水胶比小,水泥浆体体积的相对含量高；水泥水化快,水化结束得早；水泥石结构密实,总孔隙率降低,毛细孔细化,且界面过渡区消失.高性能混凝土的上述特点,使得其体积稳定性与普通混凝土有着显著差异,即：自收缩大、并且主要发生在早期； 温度收缩大,并且温度收缩出现的时间提前； 水分向周围环境散失而 引起的枯燥收缩相对来说较小, 但其实测值(其中包括自收缩值) 并不一定小,而且枯燥开 始的时间愈早,混凝土的这一实测值越大.当混凝土发生收缩并受到外部约束或内部约束

44、时产生的拉应力超过混凝土抗拉强度时,就会开裂.高性能混凝土早期强度开展迅速,弹性模量随之上升,因此早期少量的收缩变形受约束后会产生很大的弹性拉应力而又得不到徐变松缓和解,因此即使抗拉强度伴随抗压强度提高,但混凝土的延伸性却往往随着抗压强度的提升而减小,开裂时间反而提前或开裂程度反而更严重.大量研究资料说明, 高性能混凝土是对早期开裂非常敏感的材料,这不仅是水化温升和温降造成的温度收缩问题,由于硬化前新拌混凝土外表水份蒸发而引起的塑性收缩和硬化过程自枯燥作用产生的自收缩,也是重要原因.5. 外部裂缝预防及补救举措以及与此相关的新型涂料开发.(1) 合成制备了渗透结晶型防水涂料,研究了渗透结晶型防水涂料对混凝土抗渗、抗冻性 和防钢筋锈蚀性的影响,结果说明所研制的渗透结晶型防水涂料显著提升了混凝土的抗渗 性,并对混凝土的抗冻性、抗钢筋锈蚀性均有很好的改善作用.(2) 针对大流量渡槽的特点,完成了大流量预应力渡槽保温防渗涂料的原材料选择,正在 开展配方设计研究.6. 大流量预应力渡槽的耐久性及可靠性研究.本研究安排在2021年开展.(二)已形成标准、专利、论文情况已完成了渡槽设计标准?的编制工作.已完成的论文情况：(1) 冯晓波,夏富洲,王长德等,南水北调中线大型渡槽运行期温度场的计算,武汉大学学 报(工学版),200