预应力装配式沉井结构计算分析及施工应用

朱艳薇 夏秀丽

中国市政工程中南设计研究总院有限公司南京分院 210012

引言

随着城市建设的发展，人们对城市环境的要求越来越高——舒适、便捷、清洁、环保。基于以上几点，国家在建筑行业内正逐步推广预制装配式建筑。对于市政行业来说，因为体量小、不规则结构形式较多，预制装配式结构应用还没有广泛开展。

一般来说，顶管工作井、接收井的主要结构形式是沉井结构。沉井施工长期以来采用现场现浇结构，待沉井混凝土达到设计强度后，边（井内）挖土边下沉，直至到达设计标高，进行封底作业。沉井结构的特点有：不需要额外的支护结构，就能到达相对较深的地下空间；整体刚度好；不足之处是施工时间较长，如位于现状道路上则会对城市交通产生较大影响。

为了找寻一种简单、高效、环保的沉井结构形式，我们一直在做各种项目试点：2010 年～

2011 年，在南京市城北污水收集系统完善工程和燕路段试点采用装配式钢筋混凝土预应力拼装沉井；2019 年，尝试采用钢制装配式沉井。本文主要就装配式钢筋混凝土预应力拼装沉井做探讨。

1 设计方案

2010年，南京市城北污水收集系统完善工程和燕路段试点（W13 井、W15 井）采用预制预应力拼装沉井［1，2］，该预制预应力拼装沉井预制部分平面分四块（两块U 型块，两块一字块），竖向分为三节，总共12 块。平面形式如图1 所示。

图1 预应力拼装沉井平面布置（单位： mm）Fig.1 The layout plan of assembled prestressed sinking well（unit：mm）

U型块和一字块之间是现浇带，内设竖向钢筋及两侧预制构件的水平连接钢筋，沉井结构水平向的止水、传力，主要靠该现浇混凝土实现。预应力筋分布在竖向，主要起到竖向拉结形成整体的作用。立面图如图2 所示。

图2 现浇带、 预应力筋立面布置（单位： mm）Fig.2 The elevation layout of post-pouring strips and prestressed bars（unit：mm）

竖向环与环之间设置剪力键与遇水膨胀橡胶条，在预应力作用下，各预制井片联系紧密，既提高了横向拼缝处的抗剪性能，又解决了拼缝处的渗漏问题。

2 受力分析

沉井的计算主要分为稳定计算和强度计算。稳定计算主要包括以下几个方面：沉井下沉稳定计算、抗浮稳定计算、抗滑移（倾覆）稳定计算。强度计算包括：施工阶段的井壁竖向抗拉强度计算、下沉阶段井壁强度计算、封底混凝土冲剪验算、底板受力计算、使用阶段井壁强度计算等。

在稳定计算方面，钢筋混凝土预制预应力拼装沉井与传统沉井是一样的；在强度计算方面，与原整浇钢筋混凝土沉井相比，预制沉井的不同在于：井壁竖向抗拉由预应力钢筋承担；水平方向虽然设置了后浇带，但截面配筋率并没有减少，所以水平方向预制沉井的承载能力与传统整浇沉井无区别，同样满足实际需求。

预应力筋为直径25mm的精轧螺纹钢，为了避开断面中间的剪力键构造，竖向预应力筋布置在结构断面的内外两侧，两层竖向筋距离结构内外侧边缘分别为100mm。钢筋的锚下张拉控制应力为650MPa。

1.预应力损失量

（1）锚具变形和预应力钢筋内缩引起的预应力损失σl1

（2）预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失σl2

（3）预应力钢筋的松弛损失σl4

（4）混凝土收缩徐变引起的预应力损失σl5

因此，中间有效预应力

2.预应力筋承载验算

（1）下沉阶段，预应力筋受拉验算

考虑下沉阶段时，上环壁板与下两环壁板有脱空可能性，此时，预应力筋承受下方两环的壁板重力。

n为沉井的竖向预应力筋数目，其计算如下：

即预应力筋配置超过6 根就能满足下沉阶段的受拉承载力要求。

（2）正常使用状态，壁板竖向正截面受弯承载力验算

沉井壁板竖向预应力筋的布置方案［1，2］如图3 所示，长边向竖向预应力筋按内外两侧配置，内侧两边共12 根，外侧两边共10 根。短边向竖向预应力筋内侧两边共4 根，外侧两边共8 根，洞口区域布置在截面中间共12 根。此外在四个脚点处共配置4 根竖向筋，整体结构总共配置50根竖向预应力筋。

图3 预应力筋平面布置（单位： mm）Fig.3 The layout of prestressed reinforcement distribution（unit：mm）

正常使用状态，封底混凝土、底板已浇筑到位，沉井壁板按三边固定、顶边自由的双向板计算竖向受力：lx＝6.5m，ly＝5.5m，lx／ly＝6.5／5.5 ＝1.18；井壁外水、土荷载分布为梯形，梯形荷载上部计算：p1＝10／3 ＋2.5 × 20／3 ＝20kPa；梯形荷载下部计算：p2＝20 ＋5.5 ×10／3 ＋7.5 ×10 ＝114kPa。

根据双向板计算图表查得各计算系数，竖向弯矩计算如下（标准值）：竖向支座处（单位长度）Mk＝［0.0562 ×20 ＋0.033 ×（114 －20）］×6.52＝178.5kN·m；竖向跨中处（单位长度）Mk＝［0.037×20 ＋0.0095×（114－20）］×6.52＝69kN·m。

根据配筋情况，校验沉井平面长方向壁板竖向支座处，正截面受弯承载力是否满足《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）（2015 年版）第6.2.10 条的规定：

满足规范要求。

3 施工应用

施工技术要点：1）为控制预制精度，满足安装工艺要求，采用节段匹配预制技术；2）单块预制板最重26t，选用70t 汽车吊；3）预应力张拉按照对称均布、先中间后端部的顺序进行。

拼装施工工艺如下：下环沉井预制片就位→绑扎、焊接现浇带钢筋→支模→浇筑现浇带C40混凝土→中环沉井预制片就位→绑扎、焊接现浇带钢筋→上环沉井预制片就位→绑扎、焊接现浇带钢筋→支模→浇筑现浇带C40 混凝土→预应力施工，施工过程如图4 所示。

图4 钢筋混凝土预应力拼装沉井现场Fig.4 The scene of assembled prestressed concrete sinking well

4 结语

1.钢筋混凝土预制沉井的优势是受气候条件制约小，节约劳动力，可有效提高构件质量，减少场地占用时间，绿色环保。局限性在于，构件的体量较大，需要大吨位的起重设备及一定的操作空间，对于主城区的狭小道路不能适用，适合应用在新建道路或空旷地带。

2.本次试点钢筋混凝土预制预应力沉井拟合传统钢筋混凝土沉井设计而成，通过后浇带和预应力筋将各预制块体组合形成整体，共同受力。

根据计算及实际运用效果来看，此种结构形式与现浇沉井的工作状况很接近，结构的最大应力符合材料的承载力要求，构造设计满足使用的要求，具有较好的安全性，既能满足顶管施工需要，也能作为永久构筑物使用。