淺談大型渡槽三向預應力槽身的結構設計

□李天群（貴州省水利水電勘測設計研究院）

常見的渡槽的最基本的功能是：輸送渠道水流跨越河渠、道路、山林、谷口等；渡槽的基本特征是：架空的輸水建筑物，應用最廣泛的渠系交叉建筑物；渡槽的基本應用：在灌區，用于輸送渠水進行農田灌溉，在城鎮，用于輸送生活用水和工業用水。長期以來，特別是我國改革開放以后，隨著農業、工業及生活用水不斷增長，渡槽在過水流量、結構型式、施工方法等方面不斷得到發展、改進，輸水能力、輸水速度、輸水質量等也大大得到改善。

1.槽身單向預應力改為三向預應力

采用這些改善方法可以是使企業造價的個別性、差異性的標準化改善得以持續不斷地進行。從而使得企業的造價的個別性、差異性作業逐步實現精益化。帶拉桿矩形渡槽，采用三向或四向預應力筋布置方案：1)槽壁豎向預應力，槽壁豎向預應力筋主要是承受豎向拉力的。我國自20世紀80年代初引進這一技術，并在市政工程建設管理中加以應用。從理論上講，采用這一技術后，可提高渡槽截面的抗剪能力，但是，由于其鋼筋的長度問題，故宜采用精軋高強螺紋粗鋼筋錨固體系，如選用625mm或632mm 高強螺紋鋼筋，它具有預應力損失少，錨固簡單，安全可靠、施工方便等優點。可在槽壁底部布置連續的預應力直筋，并在槽底板寬度內沿縱向也布置部分通長直筋。

2.槽身預應力筋的布置

U 形渡槽槽殼，采用預應力混凝土結構在國內外并不少見，但斷面都較小，大多采用預制吊裝施工方法，避免現場澆筑混凝土U 形殼槽的困難。東改工程U 形渡槽具備“高、大、重、薄”四大特點：最大墩高約20m，槽身斷面8m×6.9m(寬×高)，12m 跨槽身重約2700kN，24m 跨槽身重約4800kN，殼槽壁厚僅300mm。對于如此特殊的體形和重量，預制吊裝方案難度很大，無法實施，只有采用現場澆筑的施工方案較為現實。大型U 形渡槽的現場澆筑要解決槽身結構的抗裂和抗滲問題，雖然理論上增加槽壁厚度可以使常規鋼筋混凝土結構滿足抗裂要求，但工程實踐經驗證明，按抗裂設計的常規鋼筋混凝土結構都存在裂縫。東改工程對結構的安全性、抗滲性和外觀質量都有很高的期望，所以必須研究采用高性能混凝土和高效預應力結構等新材料、新技術和新工藝，以提高渡槽結構的技術性能。而因東改渡槽要求按7 度地震進行抗震設計，為減少槽壁厚度，減輕上部結構質量，提高渡槽整體結構的抗震性能，也只有采用新技術才能做到。

3.槽身結構計算

3.1 槽型的選擇

選擇渡槽槽身要注意兩個方面：一是如果渡槽斷面大，排架高，基礎樁長，而且還有抗震要求的話，就宜采用輕型結構的渡槽；二是如果對渡槽建筑物設計施工的標準高，而且對其質量和外觀，對槽身抗裂、抗滲等方面也有特別要求的話，設計可考慮擬定矩形及U 形兩種體型方案。

（1）鋼筋混凝土矩形槽身。矩形斷面槽身的構造及施工都比較簡單，因此，在施工中可以采用整體現澆或分塊預制吊裝兩種方法進行施工。槽身按簡支梁型式進行設計施工，然后用板式橡膠支座支承在鉆孔樁排架上。為了防止混凝土裂縫，澆筑時，對槽身側墻、底板加厚，因此，整個槽身自重增大了，鋼筋用量也增大了，所以成本提高了。這是矩形槽身的不足之處。

（2）預應力U 形槽身。這種槽身結構為圓柱形，比較單薄，但過水斷面的力學條件比矩型槽身要好些。由于槽身壁薄，可采用鋼筋混凝土或預應力鋼筋混凝土進行現場澆筑。它的優點還在于，由于槽壁薄，槽身自重較輕，有利于抗震穩定，成本低，施工快，造價低。

3.2 伸縮縫

為了保證渡槽結構在氣溫變化、混凝土收縮與徐變及荷載作用等影響下能自由地變形，需要在槽身兩端之間設置橫向的伸縮縫，其作用不僅要保證渡槽能自由伸縮，而且在輸水過程中要保證設縫處有很好的防滲性能。因此，渡槽伸縮縫設計中的關鍵問題，是合理地確定渡槽的伸縮量與防滲伸縮縫的構造。

槽壁厚度不但對其本身的技術經濟合理性影響巨大，而且對其預應力效果，下部結構工程量及整體結構的抗震性能等都有很大的影響。從整體結構的受力性能和預應力的效果考慮，槽壁厚度在滿足構造要求的前提下應盡可能減薄。但是考慮到現場澆筑施工要求以及輸水結構的抗滲性等因素，槽壁厚度也不宜過小。因此，合理選擇槽壁厚度是東改渡槽設計的技術難點之一。

3.3 殼槽預應力體系的選擇

槽身縱向結構為簡支梁，采用后張有粘結預應力體系，單端張拉，體系受力是明確的，施工也不復雜。關鍵是橫向預應力體系的選擇，不但要考慮預應力筋的合理布置使橫向各截面都具有合適的預應力度，還要考慮預應力筋的布置間距、定位、錨固方式以及張拉工序等對槽殼結構應力和安全的影響。在我國建筑業，經過數十年來的不斷實踐與完善，預應力混凝土已經成為一門比較成熟的實用技術，尤其在水電工程、房屋工程等得到廣泛應用。本文示例的渡槽工程，采用U 形現澆后張無粘結預應力混凝土槽身，以高強鋼絲形成高效預應力，結合高性能的預拌混凝土，有效地減薄了槽壁厚度，減輕了渡槽的自身重量，與矩形槽身相比，其經濟技術指標具有較大的優勢。

3.4 槽身跨度的選擇

選擇渡槽跨度，就根據實際進行，每座渡槽的具體條件不一樣，跨度也就不盡相同，以使槽身結構、下部結構、基礎結構、施工工藝等諸多因素的綜合指標最優時，此時的跨度選擇為最佳。例如：(1)簡支梁式渡槽排架高度在10m 以下的槽段，可采用12m 跨度U 形槽身，并在橫向施加預應力，下部結構采用鉆孔樁排架。(2)簡支梁式渡槽排架高度在10m 以上的槽段，可采用24m 跨度U 形槽身，在縱、橫雙向均施加預應力，為了抵御地震，下部結構采用扁圓空心薄壁墩及群樁基礎。

U 形薄殼結構計算理論的驗證和整體結構受力性能的檢驗。U形薄殼渡槽是一個復雜的空間結構體，盡管在理論上已經有了很多精準的研究，但在實際上是難以用結構力學的方法來進行精確計算的。所以在工程界，通常是將殼槽簡化為縱、橫兩個方向分別進行近似計算，縱向按梁理論計算其內力，橫向取單位長度槽身按平面問題進行分析。實踐證明，這種近似的計算方法，對于中小型渡槽工程是可行的。對于一些大的工程，還有必要進行1：1 仿真模型試驗觀測和有限元仿真分析等多種手段進行對比驗證，以評價利用薄殼結構計算理論進行設計的可靠程度或近似程度。同時利用模型試驗段在各工況荷載(包括滿槽超載)作用下的結構應力和變形觀測結果，檢驗實際工程整體結構的受力性能和超載能力。

4.結論

以上主要對大型渡槽三向預應力槽身的結構進行了設計。對設置伸縮縫時間的選擇非常重要。要求在最低設計溫度以及混凝土收縮、徐變全部完成的最有利的組合條件下進行，以便保證在任何情況下橡膠部件中仍有一定的壓縮量，使橡膠部件與鋼板之間不會出現拉應力。