南水北調中線沙河渡槽空心墩結構分析方法淺析

□申 魯 □張文峰（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1.概述

南水北調中線沙河渡槽工程全長9.05km，包含梁式渡槽、箱基渡槽、落地槽3種結構型式，其中梁式渡槽長1710m。沙河梁式渡槽單跨跨度為30m，槽身采用U型薄壁結構，下部支撐結構為空心墩，基礎采用樁基。

沙河梁式渡槽采用雙線四槽布置型式，每條線路布置一排槽墩，每排槽墩支撐兩排槽片。每個槽墩承受重量包含兩榀槽片自重以及相應槽內水重，最大承重53964kN，承受如此大重量的空心墩臺，在國內水利工程建設領域十分罕見。因此，選擇合理的空心墩結構分析方法，對渡槽的結構安全十分關鍵。

2.空心墩結構分析方法

2.1 結構尺寸及計算工況

沙河梁式渡槽下部支撐結構為空心墩，基礎采用樁基。空心墩墩帽長22.4m，寬5.6m，高2m；墩身長22m，寬5.6m，兩端頭為半徑2.8m的半圓，墩高5～12m，墩壁厚1m，中間設三道1m厚隔板；墩底承臺長23.2m，寬7.6m，高3m。每個墩臺下順槽向設2排灌注樁，每排樁數5根，共10根。空心墩混凝土強度等級為C30，灌注樁混凝土強度等級為C25。空心墩主要結構尺寸見圖1。

空心墩承受荷載包括槽重、槽內水重、自重、風荷載等，經分析，確定以下兩種工況作為典型工況進行結構分析。

工況1：運行期，槽內設計水深，有風。

工況2：下游落閘，槽內滿水，無風。

2.2 傳統力學分析法

圖1 沙河梁式渡槽槽墩及樁基結構圖

空心墩由墩帽、墩身、承臺三部分組成，結構分析過程中，將這三部分根據各自受力特點分別進行簡化計算，求出各部分的結構內力或應力。

2.2.1 墩帽

空心墩的墩帽，屬周邊支撐的厚板，計算中可將墩帽簡化成支撐在墩壁上的雙向板。墩帽承受的荷載主要是支座部位的壓力，支座壓力經墊石擴散傳遞后，可以看成作用在墩帽上的均布荷載。墩帽的實際支撐型式介于固定與簡支之間，計算中分別按板四邊固定和四邊簡支兩種型式計算板中和支座部位的彎矩。

根據以上分析，將墩帽簡化成四邊支撐承受均布荷載的雙向板，按《建筑結構靜力計算手冊》中板的內力計算表格計算墩帽各部位的彎矩。墩帽各部位彎矩計算成果見表1～表2。

根據表中計算成果，選取兩種支撐型式下板中和支座部位彎矩的大值作為控制彎矩進行結構配筋計算。

表1 四邊固支條件下墩帽彎矩計算成果表

表2 四邊簡支條件下墩帽彎矩計算成果表

2.2.2 墩身

墩身承受的荷載主要為豎向力、風荷載、墩身與墩帽、承臺接觸部位的固端干擾應力等，可按偏心受壓構件計算墩身截面應力，計算采用《鐵路工程設計技術手冊—橋梁墩臺》中推薦公式。

墩身截面應力計算成果見表3。

表3 墩身截面應力計算成果表

根據表中計算成果，墩身截面未出現拉應力，最大壓應力1.746 MPa，遠小于墩身混凝土抗壓強度，墩身截面可按構造配筋。

2.2.3 承臺

承臺可以看成由兩排樁支撐的單向板，頂面承受由墩身傳遞下來的壓力。將墩身壓力作為均布荷載，樁頂反力作為集中力，向下的壓力和向上的反力平衡，采用截面法計算承臺內力。

承臺彎矩計算成果見表4。

表4 承臺彎矩計算成果表

2.3 三維有限元分析法

采用上述分析方法可以較清楚地計算出空心墩各部位的內力或應力，從而進行配筋計算。為了進一步驗證上述分析方法的合理性和可靠性，以下采用三維有限元法對空心墩進行結構應力分析。

2.3.1 計算模型及邊界條件

沙河渡槽空心墩墩身高度5～11m，計算選取位于河槽中間，墩身高度為11m的墩臺建立實體有限元模型。計算程序采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，墩臺采用SOLID45實體單元模擬，約束型式采用將樁位處作為固端約束。

2.3.2 計算工況及計算成果

有限元復核選取下游落閘，槽內滿水，無風工況。

有限元計算成果見表5。

表5 空心墩應力計算成果表

2.4 兩種方法成果對比分析

根據有限元計算成果，墩帽橫槽向及順槽向最大拉應力均出現在跨中，分別按跨中彎矩和截面應力圖進行墩帽配筋計算，對比二者計算成果可知，按彎矩計算配筋量略大于按應力圖計算配筋量，由此可見將墩帽簡化成雙向板進行內力計算是可行的，且計算成果偏于安全。

兩種方法計算成果顯示，墩身基本處于受壓狀態，按偏心受壓構件計算，墩身不出現拉應力，根據有限元計算成果，墩身局部存在拉應力（位于墩帽與墩身交接部位），但拉應力值小于墩身混凝土抗拉強度設計值，墩身截面可按構造配筋。

根據有限元計算成果，承臺最大拉應力出現在兩排樁中間，由此可見，將承臺看成由兩排樁支撐的單向板，采用截面法計算承臺內力，根據內力進行配筋計算是可行的。由于承臺橫槽向最大拉應力略小于順槽向，可將承臺橫槽向配筋取與順槽向相同。

3.結論及建議

3.1 采用傳統力學方法進行沙河渡槽下部空心墩受力分析時，可將墩帽、墩身、承臺三部分分別簡化成雙向板、偏心受壓柱以及由兩排樁支撐的單向板，計算各部分的結構內力或應力。

3.2 根據與有限元計算成果對比可以看出，采用以上方法計算的成果合理可靠，該方法可以應用于工程設計。

3.3 對于沙河渡槽這種承受大噸位荷載的空心墩結構，采用有限元復核是必要的，有限元計算成果顯示，在墩帽與墩身接觸部位局部存在拉應力，對于這種情況可采用局部增大配筋或在墩帽與墩身接觸部位設置過渡段的方式解決。

[1]翟淵軍，朱太山，等.南水北調中線一期工程總干渠沙河南～黃河南沙河渡槽工程招標設計報告[R].鄭州：河南省水利勘測設計研究有限公司，2009.

[2]建筑結構靜力計算手冊編寫組.建筑結構靜力計算手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1975.

[3]鐵道部第四勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊—橋梁墩臺[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[4]鈕新強，汪基偉，等.水工混凝土結構設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2008.