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大流量预应力渡槽设计和施工技术研究(1)

 

目 录

 

 
一、课题的任务、考核目标及主要技术经济指标··· 1
(一)课题的任务及考核目标··· 1
(二)主要技术经济指标··· 3
(三)关键技术··· 7
(四)技术特点和创新点··· 9
二、课题年度考核指标及主要技术经济指标完成情况··· 11
(一)课题年度考核指标及主要技术经济指标··· 11
(二)完成情况··· 12
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)··· 15
(一)已解决的关键技术和取得的重大科技成果··· 15
(二)已形成标准、专利、论文情况··· 23
(三)已建成的试验基地、中试线、生产线等情况··· 23
(四)对工程建设的促进情况··· 23
四、本年度课题经费使用情况··· 23
五、下一年度工作计划及经费需求··· 23
六、存在问题··· 23
七、有关建议··· 23

 


一、课题的任务、考核目标及主要技术经济指标
(一)课题的任务及考核目标
本课题确定的任务及考核目标如下:
(1) 大流量预应力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;大流量预应力渡槽新材料,止水、支座等新结构研究。
提出渡槽温度边界条件及温度应力的计算方法、渡槽施工期的有效温控措施;针对不同渡槽结构,提出降低温度荷载不利影响的措施;提出一至二种能比较充分利用材料潜力,充分利用结构自身跨越能力,自重小、承载能力大的新型渡槽结构型式;提出梁理论和有限元相结合的三维空间有限元的三向预应力渡槽设计计算方法;配制出高抗裂低渗透的高性能混凝土;设计研究一种新型渡槽伸缩缝止水结构与材料,为水泥渗透结晶型防水材料在大型渡槽中的应用提供理论依据和可靠的技术参数;提出具高承载力减震支座的结构型式。
(2) 渡槽和槽墩支柱的抗震性能研究,减震措施研究。
获得渡槽结构的动力特性,渡槽结构—槽内水体流固耦合作用下结构的动力特性和规律,渡槽桩基础—土动力相互作用下结构的动力特性和规律;确定最佳的渡槽上部结构减振方案,提出渡槽桩基的有效避震措施;对于渡槽结构抗震设计目前常用的计算方法提出改进意见,并提出更加合理的计算方法;提出软岩地基条件下大型渡槽基础的合理型式及计算方法。
(3) 渡槽施工技术及施工工艺研究,研究施工质量控制指标及控制方法。
针对可能出现的不同施工条件,开展现场浇筑施工工艺和装配式施工工艺研究,提出合理的施工技术方案及渡槽混凝土结构施工方法的“标准化”或“导则”性研究成果;在建筑材料强度、施工及温度控制、混凝土养护、预应力钢筋的张拉等方面提出合理的质量控制指标及控制方法。
通过对预应力张拉时渡槽槽身三向受力特点的研究,借鉴已建及在建工程经验,按照满堂红槽身浇筑方案,对槽身张拉时各杆件受力特点进行分析,建立了预应力张拉有限元数学模型,拟定几种张拉方案,分析预应力张拉期间各杆件、各部位应力状况,选择安全、可行的张拉方案。
目前,施工张拉顺序研究的有限元建模已完成,基于APDL语言的计算控制程序正在编制中。
结合沙河渡槽的结构形式,采用有限元软件ANSYS的APDL语言建立了渡槽三维有限元模型;并已编制出一套完整的能反映各种影响因素的渡槽结构施工期温度场及应力场计算程序;通过资料收集或室内实验确定了影响渡槽结构施工期温度应力的各主要因素;对当地多年气候数据进行分析确定了渡槽结构三维有限元热应力计算的边界条件;通过调整计算参数分别计算了15种渡槽温控工况,得出了在采用具有不同热力学性能的混凝土材料及采用不同温控措施下的混凝土温度应力,并对这些工况结果进行比较,明确了不同混凝土材料、不同温控措施对降低温度应力的权重大小,为后续的施工期温控防裂设计提供了参考依据;在该过程中,对渡槽混凝土施工养护期干缩变形及干缩应力的计算理论研究也取得了重要的进展。
目前正在结合渡槽结构在不同施工和气候条件下的温控方案进行研究,渡槽结构的早期干缩应力和徐变研究也在进行中。
 (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、基础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措施。
分析裂缝的类型、产生原因及形成机理,对混凝土结构的开裂风险进行评估,建立简单直观的开裂风险评估体系。基于风险评估,从材料、施工、设计、管理等方面系统地提出综合治理混凝土结构温度和收缩裂缝的控制成套技术,并对混凝土材料组成和结构形式进行优化,制定渡槽混凝土结构裂缝控制成套技术方案。
(5) 外部裂缝预防及补救措施以及与此相关的新型涂料开发。
通过对预应力混凝土渡槽结构耐久性的理论和试验研究,提出不同环境条件下渡槽结构设计的耐久性指标,研制出耐久性好的高性能混凝土,提出提高渡槽结构耐久性的工程措施和施工工艺。 提出基于可靠度理论的渡槽时变可靠性分析方法,提出灌注桩无损检测可靠性分析方法,建立含有缺陷的灌注桩可靠度分析模型。
 
(6) 大流量预应力渡槽的耐久性及可靠性研究。
研究大型预应力渡槽可能的破坏模式及破坏机理,并针对不同的可能破坏模式提出合理有效的预防及补救措施。
(7) 大流量预应力渡槽的原型观测试验。
进行现场渡槽原型的观测研究,验证理论研究和室内试验成果的正确性、优化结构形式、完善施工工艺,为后续工程渡槽结构型式的选择提供科学依据。

 

(二)主要技术经济指标
本次研究拟采用综合调查,模型、原型及材料实验,数值模拟、理论分析和仿真相结合的综合手段进行。在对大流量预应力渡槽设计和施工中的关键问题进行分析、计算、实验、验证,提出具有创新性的研究成果。本课题将结合典型实际工程,通过试验室试验和原型观测实验,对研究成果进行验证,并提出设计优化和持续改进的具体建议。本课题完成后的成果将主要以研究技术报告提交,辅以论文形式提供,同时结合典型工程示范研究分析,对当前设计中提出的技术问题给出科学、经济、合理的解决方案。用课题成果给出的技术体系对现有的大流量预应力渡槽工程进行优化设计,预计可节约投资10%~20%,渡槽单跨经济跨越能力可达30~50m,减震效果可达30%以上。
1. 主要技术指标
(1) 形成的技术体系
本课题通过主要内容的研究,可形成如下的技术体系:
1) 大流量预应力渡槽温度边界及温度荷载计算方法;
2) 大流量预应力渡槽的上部槽身结构型式及相应设计理论和方法;
3) 大流量预应力渡槽的基础结构型式及相应设计理论和方法;
4) 大流量预应力渡槽的动力计算分析方法和减震措施;
5) 大流量预应力渡槽的施工技术、施工工艺和施工质量控制指标及方法;
6) 大流量预应力渡槽裂缝控制成套技术;
7)大流量预应力渡槽的破坏模式、破坏机理及相应的预防及补救措施;
8)大流量预应力渡槽高强度、抗裂混凝土材料的配制技术与控制指标;
9) 大流量预应力渡槽高可靠性止水、抗震性强支座研究;
10) 大流量预应力渡槽材料耐久性指标和结构可靠度分析方法。
根据以上技术体系,结合目前在编的渡槽规范,可形成整套大流量预应力渡槽设计和施工的技术大纲及施工新技术,在高强度抗裂混凝土、裂缝预防与补救涂料、高可靠性止水材料等方面研制出新产品,提出效果好的大流量预应力渡槽减震支座新装置。
(2)形成的技术标准及新技术
技术标准:
大流量预应力渡槽设计和施工的技术大纲。
新技术:
1) 复杂气候条件下大流量预应力渡槽温度计算方法;
2) 充分利用材料潜力,充分利用结构自身跨越能力,自重小,承载力大的大流量预应力渡槽新型上部结构及设计技术方法;
3) 大流量预应力渡槽软岩嵌固桩基础优化设计方法;
4) 大流量预应力渡槽动力分析计算方法及减震措施;
5) 大流量预应力渡槽施工技术;
6) 大流量预应力渡槽预应力施工技术;
7) 大流量预应力渡槽裂缝控制成套技术;
8) 大流量预应力渡槽结构可靠度分析方法。
(3)形成的新产品
1) 高抗裂高耐久的渡槽高性能混凝土;C50混凝土胶凝材料用量480kg/m3以下,单位用水量为160 kg/m3以下,粉煤灰替代水泥用量25%及以上,混凝土绝热温升小于45℃,碳化满足要求,冻融循环250次以上,Cl‑离子扩散系数小于3×10-12 m2/s,电通量指标小于1000库仑。提出的混凝土防裂综合技术经济、合理、有效,抗裂能力提高1倍以上,保证渡槽施工期间不出现有害裂缝。早期开裂敏感度评价指标具有较好的实用性和直观性,可用于混凝土抗裂性设计、施工与原材料选用的依据。
2) 开发水泥基渗透结晶型防水材料在槽身混凝土表面的防渗技术:提高混凝土抗渗透能力30%以上。
3) 开发研制一种混凝土表面保温保湿防水抗裂材料:其导热系数不大于0.1W/(m·K),渗透系数不大于1×10-10m/s,与混凝土黏结强度不小于0.2MPa。
4) 开发研制一种潮湿型混凝土裂缝灌浆材料:浆液黏度<350cp,固化后抗压强度60MPa以上,抗拉强度12MPa以上,与混凝土的粘结强度4.0MPa以上,混凝土抗拉破坏。
5) 高可靠性复合止水。
(4) 形成的新装置
高承载、抗震效果好的大流量预应力渡槽支座,单个支座承载力大于4000T,减震系数大于30%。(水泵)
(5)申请发明专利
1) 高抗裂高耐久的渡槽高性能混凝土配制与防裂成套技术。
2) 大流量预应力渡槽避震设施。
(6) 发表学术论文
国内外学术期刊上和专业性重要会议上发表论文20篇。
2. 主要经济指标
本项目研究的大流量预应力渡槽设计和施工技术,可解决南水北调中线大流量预应力渡槽工程设计和施工中遇到的重大技术问题,可优化渡槽工程设计,指导渡槽施工,节约工程投资,消除工程隐患、提前工期,为大流量预应力渡槽工程的安全可靠运行提供有力的技术保障。用课题成果给出的技术体系对现有的大流量预应力渡槽工程进行优化设计,预计可节约投资10%~20%。

大流量预应力渡槽是南水北调中线工程的重要组成部分,工程的建设势必带来巨大的社会效益和经济效益,实现中国南北水资源的可持续利用,支撑华北地区及黄淮海平原经济社会的可持续发展。



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