隧洞渐变段拱圈钢筋长度等差计算对混凝土结构影响

2025-02-14 69 上传者：管理员

摘要：水工隧洞通常存在洞径渐变问题，针对曼龙河隧洞中圆形与矩形渐变段中钢筋拱圈高度和圆弧钢筋长度的计算问题进行了研究。由于理论计算方法较为复杂，施工中常采用等差数列方法进行简化计算。通过两种方法的计算成果对水工建筑的影响进行对比分析，采用等差数列方法进行钢筋长度的简易计算是可行的，既方便施工操作，又能满足工程设计要求。

关键词：
圆弧钢筋
水工隧洞
混凝土结构
渐变段
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当水流在管道或隧洞中流动时,由于流量､流态发生变化,为保持水压稳定,通常需要相应地变径来适应流量变化,减小水流阻力,提高工作效率[1]｡若保持体型不变而进行变径时,计算过程相对简单｡通常为使水流平稳,避免产生涡流,减小水头损失和空蚀破坏,渐变段的断面形状和尺寸也需要逐渐变化,特别是由圆形至矩形的渐变,对于钢筋拱圈高度､圆弧钢筋长度的理论计算相对繁琐｡为便于施工操作,通常采用等差数列的方法进行简易计算,本文通过两种方法的计算成果对曼龙河水库导流输水放空隧洞渐变段钢筋用量及混凝土保护层厚度的影响[2]进行对比分析｡

1、工程概况

曼龙河水库导流输水放空隧洞位于大坝左岸,隧洞进口底板高程为973.00m,由进水竖井段､有压洞段､竖井闸室段(里程0+095.97—0+102.066m)､无压洞段､出口明渠段组成,全长210.27m,其中有压洞身段长120.07m,设计底坡i=0.01,无压洞身段长108.20m,设计底坡i=0.05,衬砌后净空断面尺寸为1.5m×1.8m(宽×高,直墙高1.37m,拱高0.43m),开挖断面尺寸为2.3m×2.6m(宽×高,直墙高1.77m,拱高0.83m),隧洞最大下泄流量23.80m3/s｡均采用厚度0.4m的C25钢筋混凝土衬砌,抗渗等级为W8,抗冻等级为F50,其中与竖井闸室段连接的有压洞段里程0+090.97—0+095.97由城门洞型断面过渡至矩形断面[3],围岩类别为Ⅳ类,成洞条件较差｡里程S0+090.97m为城门洞型断面,底宽为2200mm,拱圈半径为1212mm,圆心角为130°,里程S0+095.97m矩形断面,直墙高度不变,底宽和顶宽均为2200mm｡

2、拱圈钢筋长度计算

2.1拱圈钢筋长度等差计算

在隧洞变径过程中,当其断面在平面或剖面上保持体型不变,拱圈的钢筋长度可利用等差数列的方法进行计算｡

式中,ΔL—公差,mm;n—钢筋排数;Lmax—钢筋最大弧长,mm;Lmin—钢筋最小弧长,mm｡

(2)当拱圈逐渐加大时,第m排钢筋长度:

2.2拱圈钢筋长度等差理论计算

当隧洞在变径过程中,其断面在平面或剖面上体型发生了改变,通常拱圈的钢筋长度则应分别计算｡例如最为常见的圆形拱渐变为矩形拱或由矩形拱渐变为圆形拱时,如图1所示｡

式中,θ—圆弧钢筋圆心角,(°);R—圆弧半径,mm;L—弧长,mm;B—钢筋底部宽度或弦长,mm;H—拱高,mm｡

若渐变段有钢筋截截面m排,则第m排拱圈钢筋圆心角

由于上述计算在施工过程中,计算较为繁琐,这里也采用等差方法,即上述式(2)—(3)进行钢筋长度计算:

3、两种计算结果的差异及其对钢筋混凝土结构的影响分析

以景洪市曼龙河水库导流输水放空隧洞S0+090.97—S0+095.97m由圆形拱顶逐步降低至矩形拱顶段的外层钢筋为例｡该段隧洞长度为5.00m,钢筋排间距为192mm,共计26排(根),外层钢筋宽度均为2200mm,拱顶钢筋由拱高703mm逐渐过渡至矩形拱顶部位拱高0mm,公差为27.04mm｡

(1)采用拱圈钢筋长度计算方法,拱顶高度按等差数列逐渐降低,根据拱圈钢筋长度理论公式(7)计算,则拱圈钢筋长度由2757mm减小至2200mm(如图2所示),相应的拱圈圆心角也由130°逐步减小至0°(如图3所示),而圆弧半径则由1212mm逐步增至无穷大(如图4所示)｡

图2各排断面拱顶钢筋长度变化趋势图

图3各排断面拱顶钢筋圆心角变化趋势图

(2)采用等差计算方法,由拱圈钢筋长度2757减小至2200mm,按等差数列(公差为21.42mm)计算各排钢筋拱圈长度｡根据拱高公式(8)计算,其拱顶高度由703mm减小至0mm｡经计算,拱圈钢筋长度计算方法与钢筋长度等差计算方法比较｡

等差计算方法的钢筋长度平均减少了87.5mm,减幅4%,最大值位于渐变段中部断面为132mm,减幅6%,略超过GB/T28882—2012《钢筋允许偏差与控制规范》重量和尺寸允许偏差2%~4%的范围｡

图4各排断面拱顶钢筋曲率半径变化趋势图

同样按钢筋长度等差计算方法,拱高相应地降低了0.05~0.07mm,即影响到钢筋混凝土保护层厚度0.05~0.07mm,根据SL191—2008《水工混凝土结构设计规范》[4],符合水工钢筋混凝土保护层厚度允许偏差应小于保护层厚度的1/4[5],即小于12mm的范围,对钢筋混凝土结构及其耐久性无影响[5]｡

4、结语

通过隧洞渐变段拱圈钢筋长度的弧长公式计算方法,与为便于施工而采用简易的等差数列方法计算时,等差计算方法的钢筋长度和重量略超过GB/T28882—2012重量和尺寸允许偏差2%~4%的范围,而由拱圈钢筋长度所导致的拱圈高度和混凝土保护层厚度的影响均在SL191—2008所规定的允许偏差范围,对钢筋混凝土结构及其耐久性无影响,因此采用等差数列方法所计算的钢筋长度是一种可行而简易的方法｡

参考文献:

[1]姜弘道.水工钢筋混凝土结构学第4版[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[2]王禹迪,李越川.我国南方地区某碾压混凝土坝混凝土质量检测与评估[J].水利规划与设计,2020(3):175-178.

[3]冯梅兰,有压泄洪隧洞出口渐变段设计与研究[J].吉林水利,2009(7):15-17.

[4]SL191—2008.水工混凝土结构设计规范[S].

[5]王永兴.水工隧洞施工与质量控制[M].郑州:黄河水利出版社,2007.

文章来源:王若雁,董瑞科.隧洞渐变段拱圈钢筋长度等差计算对混凝土结构影响[J].水利技术监督,2025,(02):298-300.