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          城市綜合管廊的適用條件與結構計算

          2019-04-20 13:17:52

          長春城投集團公司委托遼寧衍水集團將長春市臨河街項目實施方案由現澆整體綜合管廊改為分段預制方案,具體是外斷面為14×4.3米、總長度10公里。遼寧衍水集團根據要求,組織相關工程技術人員進行充分研究,多次召開技術論證會,并結合實際情況,最后確定了三倉預制裝配式箱涵最佳生產方案和施工現場技術服務方案。該方案最大限度地降低成本,實現供需雙方共贏。

          現澆地下綜合管廊與預制箱涵具有以下八個方面的優缺點:

          (1)現澆綜合管廊工期長,現場支模、鋼筋綁扎、定位、澆筑、振搗、養護、拆模等工序多,標準規定承重結構必需達到設計強度的100%才能拆除頂板支撐。養護時間長,模板、支撐材料周轉率小,腳手桿承租費用高?,F澆改為預制后,工廠流水線制造生產率高,產品質量高,施工現場安裝快速,可以縮短工期。如:成都輸變電隧道、上海世博園、甘肅酒泉市河西走廊西端等地下工程采用預制箱涵后,縮短工期近40%。

          (2)現澆綜合管廊受施工現場條件制約,幾何尺寸極易超標,長、寬、高誤差控制到毫米級很困難。此外,對拉螺栓易銹蝕,混凝土蜂窩、麻面多,易造成墻身滲漏等隱患。

          (3)每工段15?25米受地基不均勻沉降、溫差、上部荷載等變化影響,現澆綜合管廊接口若處理不好極易滲漏。

          (4)現場組織澆筑,臨時設施,水、電、鋼筋加工車間,砂、石料場及攪拌站等需投入一定費用,外購商品混凝土材料成本較高。

          (5)綜合管廊鋼筋用量較大,原因是設計管廊幾何尺寸較大,跨度大彎矩也大,若分倉預制箱涵則較經濟。

          (6)經多數施工單位竣工結算數據統計,采用預制箱涵后,綜合成本約低于現澆綜合管廊,若箱涵按每米長度計算,單項成本約高于現澆。

          (7)預制箱涵價位約高于現澆,產品需長途運輸,現場吊裝、安裝等過程需增加一定費用。

          (8)綜合管廊應用幾十年后,施工縫膨脹膠圈易老化,發生漏水不易處理,而預制箱涵若發現承插口雙膠圈老化漏水可較好處理。

          一、預制裝配式箱涵(以下簡稱箱涵)適用條件 及設計參數

          1.1 適用條件

          (1)箱涵涵底需坐落在原土層上,fak≥120KPa,如地質條件與設計不符,與設計單位聯系,對地基作相應處理。

          (2)箱涵布置地段主要由耕土、黏性土、砂土及碎石構成。

          (3)建筑設防為丙類,抗震設防裂度為7度。

          (4)混凝土結構為二(b)類,基本風壓0.55kN/m2,雪壓0.50kN/m2。

          (5)埋置平均深度2.5米。

          1.2 設計技術參數

          (1)箱涵結構耐久性。設計箱涵使用100年,埋置在潮濕環境中,處于干濕交替、水位頻繁變動狀態,混凝土結構的環境類別定為二類。標準規定最大水膠比不大于0.5,最低強度等級C30,最大CL-含量小于0.15%,混凝土中最大堿含量為每立方米3公斤,混凝土的抗滲等級不小于P6。經初步設計,考慮到箱涵使用環境、成本、強度、耐久性等因素,由P6提高到P8,混凝土強度等級由C30提高到C50?;炷僚浔劝碈50抗滲,抗裂混凝土配制,強性模量 Ec=3.45×104N/mm2,軸心抗壓設計值fc=23.1N/mm2。

          (2)箱涵用鋼筋可采用冷拔低碳鋼絲,冷軋帶肋鋼筋,熱軋盤圓,熱軋光圓鋼筋、熱軋帶肋鋼筋。

          (3)箱涵結構設計依據,參考有關規范進行結構計算。主要參考規范有GB50010-2010《混凝土結構設計規范》,GB50009-2012《建筑結構荷載規范》,GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術規程》和CECS145:2002《給水排水工程埋地矩形管管道結構設計規程》。

          二、現澆綜合管廊改為預制箱涵方案

          綜合管廊外斷面為14×4.3米,原設計為三倉(如圖1所示),斷面為內尺寸,三倉整體制作給運輸帶來極大困難,每節2米制作存在三方面難點。

          (1)運輸時,存在箱涵尺寸超標、質量超載問題,公司現有運輸能力無法承擔任務,若對外聯系專用運輸車費用太高、不經濟。

          (2)若在長春建設分廠就地生產制造,存在租地、環評、辦理營業執照、臨時設施費及水、電增容等一系列問題,辦理這些手續需要幾個月。此外,整體自重大,吊裝也是問題。

          (3)采用三箱分體制作,也可從中剖開分成兩半,或僅剖開頂板,或分成若干塊預制板然后現場拼裝組合,這樣存在結構受力變大或變小、涵體防滲、合縫不嚴、承插口防水等技術難點。

          三、四種方案優缺點比較

          下面提供四種方案供有關單位確認,箱涵按每節2米制作,所有圖均為內尺寸。

          原設計為三倉

          圖1 原設計為三倉

          3.1 方案一(分成單獨a、b、c三個箱涵,如圖2所示)

          優點:分別制作成三個箱涵,施工現場拼裝,技術成熟度高,受力合理,整體性強,剛度好,不易變形,承插口防水易處理;安裝方便,工地安裝用吊車噸位較小,較經濟,兩箱涵之間可用螺栓連接,整體性好,抗震性優良。

          缺點:幾何尺寸超標,運輸困難,需到交通管理部門辦理通行證,若在施工現場預制,技術經濟指標無法保密。

          3.2 方案二(分成兩部分,上部頂板和下部槽型,如圖3所示)

          優點:制作方便,整體受力合理,最大限度地節約鋼筋,接口防滲易處理。

          缺點:運輸、吊裝困難,嚴重超載,現場安裝需用大噸位吊車,不經濟。

          3.3 方案三(分成對稱兩部分,從4.3米中點剖開,如圖4所示)

          優 點:制作難度適中,該公司有8.5米檢查井成功經驗,工地現場預制和工廠制作均可,防水防滲較好處理,原設計綜合管廊總重量約100噸,采用高強混凝土和高強鋼后可降到76噸,上、下部均可控制在約38噸,便于運輸和安裝。整體性好,受力合理,運輸時幾何尺寸不超標。

          缺點:制作難度比方案一大,端面接口和上下合縫處防水有一定難度?,F場安裝需中型吊車,費用比方案一稍高。

          3.4 方案四(分成若干塊拼裝式預制板,如圖5所示)

          優點:化整為零,分成六塊預制板生產,預留連接鋼筋運輸到工地現場拼裝并灌注早強高強混凝土。工廠生產快速,模具投入少,生產效率高,運輸、吊裝、安裝可采用小型吊車,可節約大量吊車費用,此方案成本最低。

          缺點:工地現場拼裝困難,工期較長,加固措施多,結構整體剛度差,對抗震不利,防水處理難,受力情況比原設計變化大。需建立數學模型,重新計算。

          四、預制箱涵結構計算及構造措施

          經過對上述幾種制作方案對比,結合該公司生產工藝實際情況和運輸能力,最終確定方案一,把原設計14米的綜合管廊剖開,形成三個獨立的箱涵,分別制作后,吊運到施工現場組裝。

          4.1 受力分析

          箱涵主要受土垂直壓力、箱涵自重、地面堆積荷載和土的側壓力影響。底板受上部傳遞力、底板自重、管線支撐架傳遞力和槽底板活荷載,輸水管、電纜線和鋼架自重等合力影響。底板處于工作狀態下活荷載參照GB50009《建筑結構荷載規范》,取2.0kN/m2 (如圖6所示)。

          方案一

          圖2 方案一

          方案二

          圖3 方案二

          方案三

          圖4 方案三

          方案四

          圖5 方案四

          4.2 彎矩簡圖和截面配筋計算

          經計算圖6中A點和1點彎矩,彎矩示意圖如圖7所示。A點、1點按受彎構件計算配筋面積。根據《建筑設計手冊》中彎矩系數,分別求出A點、1點最大彎矩。應用公式求出配筋面積。同理求出箱涵2和箱涵3的最大彎矩。

          (1)確定截面有效高度h0

          h0=h-αs

          (2)計算混凝土受壓區高度X,并判斷是否屬超筋梁(板)。

          (3)計算鋼筋截面面積As,若As≥ρmin.bh時,不是少筋梁(板)。

          (4)選配鋼筋查結構設計手冊即知鋼筋直徑,面積誤差1%以內。

          4.3 箱涵構造要求

          (1)抗裂筋:箱涵受力特點是頂板1點內層受拉,外層受壓;底板內層受拉,外層受壓;側板內層受拉,支座負彎矩。在工作狀態下,混凝土保護層過大,上部內層極易開裂,造成鋼筋銹蝕。箱涵設計使用年限100年,在結構易開裂處必須設置抗裂筋,確保上部涵頂內層和底部內層不開裂??稍O鋼筋網片,放置在保護層中,鋼筋為Φ5@40,也可利用碳纖維網代替鋼筋網片。

          受力示意圖

          圖6 受力示意圖

          彎矩示意圖

          圖7 彎矩示意圖

          (2)箱涵接口型式有三:一是鋼承口膠圈柔性連接的優點是技術成熟,密封好,遇水膨脹膠條彈性高,膨脹率大,能有效防止水滲漏;缺點是承口鋼套環耐久性差,隨時間延長發生銹蝕,形成疏松的氧化鐵銹并產生膨脹,密封膠圈與鋼套環之間出現縫隙,造成接口處滲漏。經理論計算,厚度10?20毫米的鋼板,發生電化學完全反應時間約40年,反應速度與埋填土的濕度、溫度等有關。二是承插口膠圈柔性預應力鋼絲束對接,其優點是安裝對接速度快,每四座拼裝在一起,用預應力鋼絲連接,緊固效果好,膠圈受到最大緊壓力作用,密封效果好,接口不存在滲漏現象;缺點是該緊固方案僅適用開槽施工,目前還不適用頂進施工法。三是承插口膠圈柔性螺栓連接,其優點是對接快,緊固力的大小可調,密封效果好,接口不滲漏,可把幾百米的箱涵連成一個整體。

          (3)箱涵二次防水:箱涵埋置在地下2.5米深處,地下水位高,水壓力大,箱涵在工作狀態時隨時間的延長存在少數涵體滲漏。百年大計,質量第一。為確保萬無一失,必須考慮二次防水問題,方案有二:一是箱涵對接安裝結束后,用防水密封膏封住承插口處縫隙,箱涵內表面刮兩遍防水、防霉菌大白膏做到既美觀又適用。二是制作箱涵時在鋼筋骨架上設置一道碳纖維防水布或薄鋼板,預埋在混凝土中起到二次防滲漏作用,一般放在受壓區,不宜放在受拉區,否則對涵體強度有影響。

          (4)吊孔設置:小型箱涵自重達幾十噸,大型可達上百噸,考慮到施工現場吊裝方便,設置四個吊孔,吊孔距箱涵重心約1/2處,預埋件為無縫鋼管吊孔,與鋼板焊接,安放吊孔時,在吊孔處設置加固鋼筋。

          五、預制箱涵的制作

          5.1 生產工藝

          可利用芯模振動設備或立式澆筑工藝制作預制混凝土箱涵,在此僅介紹芯模工藝(如圖8所示)。

          5.2 芯模振動工藝對混凝土性能的要求

          芯模振動工藝優點為即時脫模,但是在自重的作用下會產生不均勻下沉,因而要求混凝土具有足夠的黏聚力,脫模后的混凝土制品在鋼筋骨架的約束下不塌陷, 能承受自身重量作用,不產生變形。半干硬性混凝土拌合物顆粒松散,振動力的作用使混凝土液化,在重力和其他力的共同作用下,逐漸堆積緊密,使混凝土處于穩定,黏聚力加大,水泥砂漿填充于石子顆粒的空隙,混凝土包裹著鋼筋骨架,形成一整體結構。

          5.3 芯模振動工藝的優點

          (1)采用地下封閉立式成型,僅用兩套模具,成型后立即脫模,相對支模等工藝可節約大量模具,降低產品成本。

          (2)采用半干硬性混凝土,無廢水泥漿排放,比較環保。在混凝土強度等級相同的情況下,與其他工藝相比,可減少水泥用量,降低混凝土成本。

          (3)氣溫在15°C以上,一般不需要進行蒸汽養護,利用水泥的水化熱和太陽能進行保溫養護。

          (4)生產效率高,可保證工程應急,在底托數量充足的前提下,每條生產線一天一般能生產拱涵五座以上。

          芯模制箱涵工藝流程圖

          圖8 芯模制箱涵工藝流程圖

          5.4 鋼筋骨架制作

          (1)為提高勞動生產率,鋼筋骨架全部利用平面焊機焊接。

          (2)按設計圖紙中尺寸切割并折彎、拼焊。

          5.5 原材料的選購及指標要求

          (1)采用C50、P8抗滲混凝土,摻入膨脹劑提高混凝土抗滲性能。

          (2)鋼筋采用冷軋及熱軋帶肋鋼筋,抗拉設計強度可查GB50010-2002《混凝土結構設計規范》。

          (3)水泥采用52.5R等級普通硅酸鹽水泥,各項指標按GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》執行。

          (4)砂子采用中砂,細度模數2.6?2.8,顆粒級配II區,級配類別I類,MB<1.4,其他指標執行GB/T14685-2011《建設用碎石、卵石》。

          (5)石子顆粒級配分別為5?16毫米和16?25毫米,類別I類,含泥量≤0.5%,其他指標執行GB/T14685-2011。

          (6)膨脹劑,采用明礬石膨脹劑,摻入量為5%?8%。

          (7)混凝土中CL-<0.06%,宜采用非堿活性骨料。當砂、石中含有少量堿活性骨料時,混凝土中每立方米堿含量<3.0公斤,水泥含堿量<0.6%。

          (8)其他組份為碳纖維、高效減水劑等。

          5.6 冬季生產箱涵的養護措施

          直接利用太陽能。此方法與農用塑料大棚相似,在節能窯上加裝一方型塑料罩并在節能窯北面安裝聚光器,白天窯外溫度在-25°C時,陽光透過塑料模和聚光器光束直接輻射在節能窯窯內,使窯內最高溫度升至20°C以上;陰天無太陽或夜晚時,蓋上保溫鋼蓋,使窯內溫度保持在15°C以上。此養護方案適用經濟,投資較少,維護費用小,下雪時提前扣上方型鋼蓋不用清除積雪(如圖9所示)。

          節能窯示意圖

          圖9 節能窯示意圖

          六、施工現場安裝預制箱涵技術安全方案

          (1)吊裝前應按特殊工種進行技術安全交底,確保不出現質量和人身安全事故。

          (2)必須檢查吊鉤、鋼絲繩質量,發現有問題的即時更換。

          (3)遇有大風、大雨等特殊天氣不得施工。

          (4)地基開挖后,基礎墊層必須達到設計強度才能安裝。

          (5)地下水位高時,應及時排水。

          (6)根據設計高程和安裝軸線進行吊裝、安放,每段平整度控制在2毫米以內。

          (7)先吊左邊箱涵1,并調整好相對位置,然后再吊中間箱涵2,最后吊右邊箱涵3。倆倆箱涵之間豎向縫用膨脹珍珠巖壓實。

          (8)每節箱涵對接后,承插口用防水材料密封,進到二次防水處理,做到雙保險。

          (9)所有箱涵安裝完成后,按規定高度回填土,兩邊要同時回填,防止土的側壓力不均造成箱涵錯位,消除質量隱患。

          結論

          (1)混凝土由原設計C30、P6,改為C50、P8。增大混凝土密實度和握裹力。

          (2)采用高強鋼筋,或增大配筋率,減小綜合管廊結構尺寸,側板、底板由500毫米減到380毫米(在滿足承載力不變的情況下),做到輕質高強,便于運輸和安裝。也可采用輕骨料混凝土,降低自重20%左右。

          (3)整體三倉分成三個獨立的箱涵制作后,給生產、運輸、現場施工帶來最大便利。

          (4)承插口采用環向雙膠圈防水,做到雙保險,若干年后,若發現有極少部分滲漏,補救措施方便。

          (5)采用芯模生產工藝、節約模具費用,鋼筋網采用平板焊機焊接,節約人工費,最大限度降低總成本。

          (6)在箱涵受拉區設置抗裂筋或碳纖維,防止混凝土開裂。

          (7)承插口二次防水,可用丙綸加建筑用膠二次防水,確保承插口有微小自由度后不滲漏。

          (8)箱涵總質量控制在76噸左右,最大質量控制在約35噸,確保運輸不超載,現場吊裝、安裝采用中型吊車較經濟。

          (9)必須考慮防爆問題,可在倆箱涵之間縫隙加入泄壓材料。

          綜上所述,現澆三倉綜合管廊改為分別預制三倉箱涵后,現場拼裝是可行的,采用芯模生產工藝僅用一套模具,節約了80%的模具費用,養生混凝土利用太陽能節約了大量蒸汽費用。

          標簽: 綜合 管廊
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