预应力混凝土蜗壳结构的制作方法

本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种预应力筋布置形式的预应力混凝土蜗壳结构。

背景技术：

混凝土蜗壳结构在运行中承受复杂荷载作用，蜗壳部位混凝土容易开裂，由于裂缝的产生，蜗壳防渗设计是一个需要重点关注的问题。根据现行国内规范的要求，混凝土蜗壳结构应进行限裂验算。当水电站设计水头较高时，采用普通钢筋混凝土蜗壳配筋量过大，混凝土浇筑困难。而采用在蜗壳内表面设置防渗钢衬的钢筋混凝土蜗壳，一则钢衬安装占一定的直线工期，二则直面钢衬与混凝土之间的接触灌浆技术难度高，侧墙钢衬与混凝土之间的密实性、整体性较差，容易导致蜗壳在运行期间产生钢衬鼓包和漏水现象，进而影响机组的正常运行。至于其它防渗措施，如提高蜗壳部位混凝土的强度等级、使用钢纤维或环氧砂浆等抗(限)裂纤维材料等，都有比较明显的缺陷。因此，提出采用预应力加固措施来解决较高水头下混凝土蜗壳的防渗问题。

由于混凝土蜗壳结构的复杂性，真正将预应力技术运用于蜗壳中的实例非常少。高坝洲水电站是国内最早使用也是极少数使用预应力对混凝土蜗壳进行加固的工程，其预应力混凝土蜗壳中预应力筋由水平向、竖向锚索经用后张法张拉形成。水平蜗向预应力锚索共八束，沿蜗壳侧墙内壁环向布置。竖向预应力锚索共9束，从进口断面～90°断面范围沿侧墙内壁布置。预应力筋的布置形式对结构的受力影响很大，对于混凝土蜗壳这种复杂的结构而言，是否选择合理的预应力筋布置形式，将直接影响能否减小控制截面的弯矩值，达到改善结构受力、减少配筋、限制裂缝宽度、满足防渗要求的目的。而仿照高坝洲水电站预应力混凝土蜗壳的预应力筋布置形式来布置预应力筋效果不显著。

技术实现要素：

为克服现有预应力混凝土蜗壳中预应力筋布置不合理，导致蜗壳局部受力较大等不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种有利于改善蜗壳结构薄弱部位受力情况的预应力混凝土蜗壳结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

预应力混凝土蜗壳结构，包括由钢筋混凝土浇筑的蜗壳和位于蜗壳壁面内的预应力筋，所述预应力筋包括环向预应力筋和外侧竖向预应力筋，所述环向预应力筋沿垂直水流方向断面环形布置，布设范围从蜗壳进口断面到蜗壳90°断面范围内，所述外侧竖向预应力筋竖直设置在蜗壳左边墙外侧，布设范围为蜗壳左边墙的直墙段。

进一步的是，所述环向预应力筋包括环形段和槽形段，从蜗壳进口断面到蜗壳0°断面采用环形段进行全断面布置，从蜗壳0°断面到蜗壳90°断面采用槽形端布置，所述槽形段的上下两端延伸到蜗壳机井处。

进一步的是，所述环形段的预应力筋包括至少5根，布设间距为1.5～2m，所述槽形段的预应力筋包括至少16根，在90°范围内均匀间隔布设。

进一步的是，所述外侧竖直预应力筋的布置间距为1.5～2m。

本发明的有益效果是：通过设置环向预应力筋和外侧竖向预应力筋，能使混凝土蜗壳结构薄弱部位产生较大的预压应力，改善结构薄弱部位的受力，减轻蜗壳外围混凝土的损伤，从而控制裂缝的开展，达到防渗的目的。同时该装置技术可靠，结构合理，施工方便，有利于缩短工期，经济效益显著。

附图说明

图1为预应力混凝土蜗壳中预应力筋常规布置平面图。

图2为预应力混凝土蜗壳中预应力筋常规布置剖面图。

图3为预应力筋常规布置形式下蜗壳混凝土损伤图。

图4为本申请的新型布置形式的预应力筋布置图。

图5为本申请的新型预应力筋布置形式下蜗壳混凝土损伤图。

图中标记为，1-蜗壳，2-环向预应力筋，3-外侧竖直预应力筋，21-环形段，22-槽形段，4-水平蜗向预应力锚索，5-竖向预应力锚索。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明的预应力混凝土蜗壳结构，包括由钢筋混凝土浇筑的蜗壳1和位于蜗壳1壁面内的预应力筋，所述预应力筋包括环向预应力筋2和外侧竖向预应力筋3，所述环向预应力筋2沿垂直水流方向断面环形布置，布设范围从蜗壳进口断面到蜗壳90°断面范围内，所述外侧竖向预应力筋3竖直设置在蜗壳1左边墙外侧，布设范围为蜗壳1左边墙的直墙段。其中，蜗壳进口断面为蜗壳入口所在断面，蜗壳0°断面为蜗壳弧形段的起点位置，蜗壳90°断面为从蜗壳0°断面沿弧形断面转过90°所在断面，所述直墙段为从蜗壳左边墙起点到蜗壳0°断面的一段直墙，具体如图1所示。

如图1、图2所示，为现有的预应力混凝土蜗壳中的预应力筋布置形式，其中水平蜗向预应力锚索4共8束，沿蜗壳侧墙内壁环向布置，竖向预应力锚索5共9束，从进口断面到蜗壳90°断面范围沿侧墙内壁布置。该布置形式所产生的受力情况如图3所示，其中颜色较深的部位为受力较大，易损伤部位，主要是由于蜗壳顶板和底板的径向拉应力、左边墙外表面竖向拉应力较大所致。

本发明通过改进预应力筋的布置形式，具体如图4所示，与传统布置形式相比，取消了沿混凝土蜗壳水流方向布置的水平蜗向预应力锚索4，改为沿蜗壳(进口断面～90°断面范围)断面环向布置；将沿蜗壳侧墙内表面布置的竖向预应力锚索5改为沿外表面布置。采用该布设形式的结构受力情况如图5所示，与图3相比，原来较薄弱的部位受力情况得到了明显改善。可见，采用本申请的预应力筋布置形式，可改善蜗壳结构薄弱部位的受力情况，减轻蜗壳外围混凝土的损伤，从而控制裂缝的开展，达到防渗的目的。

所述环向预应力筋2包括环形段21和槽形段22，从蜗壳进口断面到蜗壳0°断面采用环形段21进行全断面布置，从蜗壳0°断面到蜗壳90°断面采用槽形段22布置，槽形段22的上下两端延伸到蜗壳机井处。所述环形段21即为与蜗壳进口断面相适应的矩形结构，由于蜗壳入口断面受水头冲击力和环向应力影响，通过全断面布置预应力筋可起到稳固蜗壳入口断面的目的。所述槽型段22即只将预应力筋设置在蜗壳顶面、底面和弧形侧面内，其上下两端延伸到蜗壳机井处进行固定。由于蜗壳0°断面到蜗壳90°断面主要受蜗壳顶板和底板的径向拉应力以及弧形面的冲击力，所以槽型段22就能够起到足够的预应力作用，不用全断面布设。

在具体布设预应力筋时，根据计算论证和长期经验总结得出，所述环形段21的预应力筋应包括至少5根，布设间距为1.5～2m，所述槽形段22的预应力筋包括至少16根，在90°范围内均匀间隔布设，所谓外侧预应力筋3的布置间距为1.5～2m。该布置形式是综合考虑了结构稳定性和经济实用性，能为类似工程提供参考价值。

下面通过一组对照试验对本发明作进一步说明。

实施例：

为体现本发明所述的新型预应力筋布置形式下预应力混凝土蜗壳的预应力加固效果，将常规布置方案与新型布置方案混凝土蜗壳结构在同等条件下产生的预压应力列表进行对比，其中所选取的断面位置如图1所示。结果如表1所示，预应力混凝土蜗壳结构的预压应力明显更大，预应力加固效果显著提高。

表1常规布置方案与新型布置方案预压应力对比表

如图3和图5，常规预应力筋布置形式下，蜗壳结构薄弱部位混凝土损伤严重，最大损伤值达到0.963；而本发明所述的新型预应力筋布置形式下，蜗壳结构薄弱部位混凝土损伤情况明显改善，最大损伤值下降到0.657。

为进一步验证本发明所述的新型预应力筋布置形式下预应力混凝土蜗壳的预应力加固效果，根据水工混凝土结构设计规范dl/t5057-2009中对非杆件体系结构裂缝控制验算的要求，列表进行对比，见表2。新型预应力筋布置形式下预应力混凝土蜗壳结构的最大钢筋应力和最大裂缝宽度均明显减小，预应力加固效果显著提高。

表2常规布置方案与新型布置方案裂缝控制验算对比表

综上，本发明所述的新型预应力筋布置形式的预应力混凝土蜗壳结构，通过采用沿蜗壳断面环向布置的环向预应力筋和沿蜗壳侧墙外侧布置的外侧竖向预应力筋，可以明显提高混凝土蜗壳薄弱部位的预压应力，改善其受力特性，减轻蜗壳外围混凝土的损伤，从而控制裂缝的开展，达到防渗的目的，效果十分显著，具有很好的实用性和应用前景。