塢式船閘底板中部防裂措施研究

如圖1所示，屋頂結(jié)構(gòu)是一種非常常見的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，其整體剛性強(qiáng)，相對變形小，尤其是在變形要求高的門的打開中使用。但是,塢式船閘結(jié)構(gòu)底板容易開裂,且這些裂縫通常發(fā)生在底板上表面中部。針對這種情況,人們提出了多種措施和方法來改善底板受力和增強(qiáng)底板抗裂性能。有人提出采用反拱底板改善底板受力來進(jìn)行防裂,但反拱底板對相對水平位移和轉(zhuǎn)角等十分敏感,即使較小的變位也可能會使反拱產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力,一般認(rèn)為適用于能早期固結(jié)的沙性土地基;也有人提出采用預(yù)留寬縫施工來進(jìn)行防裂,但預(yù)留寬縫工序較多,施工復(fù)雜,對建設(shè)工期有影響;另外,也有人提出采用纖維混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋增強(qiáng)底板的抗裂性能來進(jìn)行防裂等,但因造價(jià)、施工難度等客觀原因目前運(yùn)用尚不普遍。為給人們提供進(jìn)一步的參考,本文在借鑒前人、相關(guān)專業(yè)和領(lǐng)域的研究成果,以及充分分析塢式船閘底板受力特性的基礎(chǔ)上,提出了設(shè)置底板凸肋、設(shè)置齒墻、沉入遮簾板樁以及鋪設(shè)補(bǔ)償軟墊層等措施,希望這些措施能引起人們重視,并對補(bǔ)充和完善現(xiàn)有研究成果有所裨益。1土體滲流方程為分析各措施及其效果,需求解結(jié)構(gòu)的平衡方程、幾何方程和本構(gòu)方程,以及土體的滲流連續(xù)方程、有效應(yīng)力方程等多個(gè)方程。同時(shí),結(jié)構(gòu)與土體力學(xué)性質(zhì)相差較大,還需求解其接觸方程。本文建立數(shù)學(xué)模型并采用有限法對上述各方程進(jìn)行求解,限于篇幅,各方程式、模型建立及參數(shù)取值可參考文獻(xiàn),不再贅述。2計(jì)算2.1最大拉應(yīng)力時(shí)序曲線船閘一般的施工順序?yàn)橄葷驳装?、后澆邊墩、最后填?其計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知底板上部等值線比較密集,梯度比較大,可見表面拉應(yīng)力比較大,最大拉應(yīng)力發(fā)生在上表面中部。最大拉應(yīng)力歷時(shí)曲線如圖3所示。初期,隨著邊墩澆筑和土體回填,底板拉應(yīng)力數(shù)值不斷增大,直至達(dá)到最大峰值;后期,隨著繼續(xù)回填土體高度的進(jìn)一步增加,土壓力不斷增大,底板拉應(yīng)力開始減小,直至最后趨于穩(wěn)定。底板拉應(yīng)力最大峰值達(dá)到了5.15×106Pa,很容易導(dǎo)致混凝土開裂。2.2改善措施和效果分析2.2.1底板拉應(yīng)力等值線分析為增強(qiáng)底板的抗裂性能,擬在底板下部設(shè)置約1m厚的凸肋。設(shè)置凸肋后,底板最大拉應(yīng)力歷時(shí)曲線與原方案的比較如圖3所示。從圖3可知,最大拉應(yīng)力數(shù)值有所減小,最大峰值減小為4.68×106Pa,相對于原方案減幅為9.1%,可見底板采取設(shè)置凸肋措施具有較好效果。底板拉應(yīng)力等值線圖如圖4所示。由圖4可知,底板拉應(yīng)力減小,最大拉應(yīng)力位置也發(fā)生了改變,移向了船閘中軸線與邊墩的中間。考慮到一般情況下,底板的最大溫度應(yīng)力通常產(chǎn)生在底板中部。因此,凸肋的設(shè)置一方面將降低因兩種應(yīng)力疊加而導(dǎo)致中部拉應(yīng)力過大引起混凝土開裂的可能性;另一方面也將使底板受力不再集中于中部,使整個(gè)表面受力趨于均勻,從而使均勻配置在底板表層的鋼筋能充分發(fā)揮其作用。從這種角度而言,設(shè)置凸肋也具有重要意義。2.2.2齒墻方案設(shè)計(jì)及結(jié)果設(shè)置凸肋與采用反拱底板、纖維混凝土和設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋等措施一樣,都屬于增強(qiáng)底板自身的抗裂性能來防止底板開裂,屬同一種類型的措施。除此之外,還可以尋求改變底板本身特性之外的措施來解決底板開裂問題,如減少邊墩墻背的摩擦力等。受巖土工程中利用底板外伸來改善襯砌結(jié)構(gòu)受力的啟發(fā),并根據(jù)船閘塢式結(jié)構(gòu)底板自身的力學(xué)特性,本文將船閘工程中經(jīng)常用來增強(qiáng)抗滑、防滲性能的齒墻引入進(jìn)來,提出在邊墩底部設(shè)置齒墻這一措施來改善底板受力,假定齒墻深2m,底寬1m。底板的拉應(yīng)力如圖5所示,與原方案相比(見圖2),受拉區(qū)域減小,但最大拉應(yīng)力仍發(fā)生在底板中部位置,其歷時(shí)曲線如圖3所示。最大拉應(yīng)力峰值減小為4.49×106Pa,相對于原方案減幅達(dá)到12.8%,可見此措施效果良好。分析其原因,主要是因?yàn)樵O(shè)置齒墻后,增大了與地基的接觸面積,不僅將邊墩自重等荷載傳遞至地基深處,同時(shí)也將邊荷載傳遞至地基深處,在一定程度上阻斷和減小了邊荷載的影響,使底板兩端與中部的相對沉降差變小,從而有效減小底板上表面拉應(yīng)力。2.2.3遮傘板樁的施為減小邊墩自重,以及遮避和減小邊荷載對底板受力的影響,本文提出在底板兩端的地基內(nèi)沉入板樁的措施,假定遮簾板樁寬0.5m,長10m。底板拉應(yīng)力如圖6所示,可見底板表面的等值線密度已變稀疏,這說明拉應(yīng)力減小,最大拉應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示,可知其最大峰值已由原方案的5.15×106Pa,減小為3.39×106Pa,減幅達(dá)到34.2%,可見此措施效果十分明顯。2.2.4固結(jié)劑為復(fù)合材料的抗壓材料,包括通過權(quán)為進(jìn)一步降低底板中間與兩端之間的不均勻沉降差,本文提出鋪設(shè)補(bǔ)償軟墊層的措施,即對底板中部的地基進(jìn)行一定范圍和深度的開挖,然后回鋪一層柔性材料來增大底板中部的沉降,這種柔性材料可采用在土木工程中運(yùn)用較廣的EPS泡沫板等,現(xiàn)假定整個(gè)EPS軟墊層厚約1m,寬約8m。底板拉應(yīng)力如圖7所示,與原方案相比(見圖2),底板拉應(yīng)力得到明顯改善,最大拉應(yīng)力峰值減小為3.82×106Pa(見圖3),減幅達(dá)到25.8%,可見其效果也十分顯著。2.3齒墻及遮墻改善效果分析將以上各改善措施列表比較如表1所列。通過比較可知,設(shè)置凸肋、設(shè)置齒墻改善效果相對較差,但實(shí)施比較簡單;沉入遮簾板樁改善效果最好,但實(shí)施難度較大,而鋪設(shè)軟墊層改善效果較好,實(shí)施難度亦不大。到底采用何種措施,需根據(jù)具體工程要求綜合考慮選用。3其他外在措施本文在參考和借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,提出了設(shè)置底板凸肋、設(shè)置齒墻、沉入遮簾板樁及鋪設(shè)軟墊層等改善措施,并對其效果進(jìn)行了模擬計(jì)算,經(jīng)比較和分析,得到以下結(jié)論:(1)除采取改變底板自身特性的措施增強(qiáng)抗裂性能來解決底板開裂問題外,還可以采取其他外在措施來解決開裂問題,如設(shè)置齒墻、沉入遮簾板樁及鋪設(shè)補(bǔ)償軟墊層等。(2)底板設(shè)置凸肋、設(shè)置齒墻、沉入遮簾板樁及鋪設(shè)補(bǔ)償軟墊層均能改善底板受力,但其效果、作用不一,實(shí)施難度不一,建議