南水北調預應力排水渡槽結構靜力分析

王 磊

(黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州 450000)

南水北調預應力排水渡槽結構靜力分析

王 磊

(黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州 450000)

南水北調中線工程中需要建設大量預應力排水渡槽。本文采用有限元分析方法針對南水北調大型預應力排水渡槽在各種受力狀況下結構的靜力狀況進行分析，從而為類似工程在運行或施工期間槽身斷面受力研究和結構優化等問題提供一定的參考。

渡槽;預應力;設計方案;有限元;南水北調

南水北調中線工程規劃左岸排水工程有大量預應力排水渡槽。但是因為北方氣候以及河流的特點，河道處于枯水狀態，因此渡槽大量時間處于無水狀態;但在洪水期，渡槽出現過流變化大、時間短且夾帶大量泥沙情況，所以渡槽使用狀態與一般輸水渡槽情況存在較大差異。

本文研究的對象是南水北調中線工程黃河北段上的一座東西方向的預應力排水渡槽，此處排水渡槽單幅跨度約22.56m，為6.5m×5.36m矩形斷面結構，受力邊梁和受力中梁均為1.2m×1.5m，渡槽底板厚0.4m，受力邊墻厚0.5m，受力中墻厚0.6m。

槽身單跨22.56m，過水斷面2孔6.5m×5.36m，邊、中縱梁厚度為0.9m、1.0m，邊、中豎墻和底板厚度分別為0.5m、0.6m、0.4m。

1 基本情況

在出現極限狀態下該渡槽結構的受力狀況分析如下。

1.1 設計條件下系數取值

該排水渡槽為Ⅰ級建筑物，渡槽結構重要性系數取值為1.1，整體為結構Ⅰ級安全等級。渡槽槽身自重系數取值為1.05(γG)，校核水荷載系數取值為1.2(γG)，設計滿槽洪水可控可變荷載狀況下系數取值為1.10(γG)。

在空槽情況下，設計狀況認為持久狀況，系數取值為1.0(φ);在校核滿水狀況下，設計狀況認為短暫狀況，系數取值為0.95(φ);在校核滿水狀況下，設計狀況認為偶然狀況，系數取值為0.85(φ)。

1.2 裂縫控制情況

按照設計規范相關要求，渡槽槽身不允許出現裂縫，在計算過程中一般分為短期和長期兩種荷載效應組合情況;另外，在計算過程中拉應力可以出現在計算對象的邊界部位，但是該區域所受拉應力不能大于相應規范所要求的范圍。

1.3 鋼筋張拉情況

鋼筋張拉情況見圖1。

圖1 鋼筋張拉情況示意圖

2 計算條件

整體式計算模型將鋼筋和混凝土綜合為一種材料，它的彈性矩陣為：

具體表達式為：

對于等效的分布鋼筋，其應力應變關系矩陣[ Ds]可按下式計算：

式中 Es為鋼筋的彈性模量;ρx、ρy和ρz分別為沿x、y和z方向的配筋率。

式中——鋼筋混凝土折算彈性模量;

EC——混凝土彈性模量;

ES——鋼筋彈性模量;

μ——配筋率。

3 應力分析

3.1 縱向應力分析

由分析可知，渡槽結構應力較為集中的部位主要為錨固和支座區域，受壓區域主要為邊墻和中墻部分。通過計算可知，渡槽跨中下表面混凝土縱向壓應力最大值為：邊墻：－0.48MPa;中墻：－0.19MPa;最小值為：邊墻：－0.44MPa;中墻：－0.11MPa;平均值為：邊墻：－0.46MPa;中墻：－0.15MPa;表明渡槽跨中下表面混凝土縱向壓應力邊墻略小于中墻(見圖2)。

圖2 縱梁下表面混凝土縱向應力 單位：MPa

渡槽跨中上表面混凝土存在縱向拉應力和縱向壓應力;縱向拉應力存在于邊墻和中墻兩端小區域，最大值為：邊墻0.27MPa，中墻0.32MPa;縱向壓應力最大值為：中墻：－2.96MPa;邊墻：－1.88MPa;最小值為：中墻：－2.56MPa;邊墻：－1.56MPa;平均值為：中墻：－2.76MPa;邊墻：－1.32MPa;表明渡槽跨中上表面混凝土縱向壓應力中墻大于邊墻(見圖3)。

圖3 縱梁上表面混凝土縱向應力 單位：MPa

通過計算，渡槽跨中上、下表面混凝土縱向壓應力情況最大值分別為－1.25MPa、－0.78MPa(見圖4)，渡槽跨中上表面混凝土縱向壓應力大于渡槽跨中下表面混凝土縱向壓應力，所以在外水荷載作用情況下，渡槽跨中上表面混凝土縱向壓應力和渡槽跨中下表面混凝土縱向壓應力對邊墻縱向拉應力的影響在計算過程中可忽略;而在設計水位情況下，渡槽底板以及邊、中墻的計算均可按照中到中的長度計算。

圖4 底板跨中上、下表面混凝土縱向應力 單位：MPa

3.2 橫向應力分析

在設計條件下，結構拉應力主要集中在錨固及支座部位，經計算得知以上區域拉應力最大為0.97MPa。在工程施工過程中，由于張拉的作用，渡槽底板拉應力處于不斷變化中，最后穩定狀態下橫向壓應力為－0.96MPa(見圖5)。

圖5 上表面混凝土橫向應力 單位：MPa

橫梁下表面混凝土在各梁跨中區域存在較大橫向拉應力，從橫梁1到橫梁5跨中拉應力依次增大，橫梁5跨中最大拉應力為2.46MPa，小于混凝土的設計抗拉強度(見圖6)。

3.3 豎向應力分析

排除渡槽預應力鋼絞線錨固部位及支座位置處的應力集中，渡槽豎墻豎向拉應力很小，均不超過1.28MPa，所以，渡槽豎向受力合理(見圖7)。

圖6 下表面中線混凝土橫向應力 單位：MPa

圖7 渡槽側墻迎水面混凝土橫向應力 單位：MPa

3.4 變形分析

渡槽在設計水位下最大豎向位移發生在中墻底部，邊墻要略小于中墻。橫梁的最大豎向位移發生在橫梁的橫向跨中處，從橫梁1到橫梁5同一縱向位置豎向位移越來越大，最大值發生在橫梁5跨中處(見圖8)。

圖8 渡槽縱梁下表面豎向位移 單位：m

設計水位下預應力排水渡槽三維有限元數值分析表明，排除渡槽預應力鋼筋錨固部位及支座位置小區域范圍的應力集中外，渡槽結構應力和變形均滿足設計要求。局部應力集中可通過適當的構造措施予以控制或減弱。

4 結語

在設計條件下，渡槽邊墻上表面混凝土縱向壓應力和渡槽邊墻下表面混凝土縱向壓應力以及渡槽中墻上表面混凝土縱向壓應力和渡槽中墻下表面混凝土縱向壓應力在計算過程中未發生變化，對邊墻縱向拉應力的影響在計算過程中可忽略;另外，伴隨著橫梁結構中高度的變化，渡槽底板上表面混凝土橫向壓應力和渡槽底板下表面混凝土橫向壓應力均相應增加，通過比較，上表面增加幅度大于下表面增加幅度，其他區域未發生變化;同樣，渡槽底板上表面混凝土豎向壓應力和渡槽底板下表面混凝土豎向壓應力均相應增加，通過比較，上表面增加幅度大于下表面增加幅度，其他區域未發生變化;所以，渡槽結構中縱向拉應力和豎向拉應力會隨著橫梁高度的變化而產生一定的變化，盡管影響很小，但是對于渡槽結構縱梁的變形會有較大的影響。

1 DL 5077—1997水工建筑物荷載設計規范［S］．

2 SL/T 191—96水工混凝土結構設計規范［S］．

3 孫明權．雙泊河渡槽矩形梁式方案槽身應力分析研究［J］．人民黃河，1999，21(9)．

4 朱伯芳．有限單元法原理與應用［M］．第二版．北京：中國水利水電出版社，1998．

5 王勖成，邵敏．有限單元法基本原理和數值方法［M］．第二版．北京：清華大學出版社，1997．

Structure Static Analysis of Pre-stressed Drainage Aqueduct in South-to-North Water Transfer Project

WANG Lei
(Yellow River Engineering Consulting Co．，Ltd．，Zhengzhou450000，China)

A large number of pre-stressed drainage aqueducts should be constructed in mid-line project of South-to-North Water Transfer Project．In this paper，finite element analysis method is adopted for analyzing the structure static conditions of large-scale pre-stressed drainage aqueducts in South-to-North Water Transfer Project under various stress conditions thereby providing certain reference for aqueduct cross section stress study，structure optimization and other problems of similar projects during operation or construction period．

aqueduct;pre-stressed;design scheme;finite element;South-to-North Water Transfer

TV65

B

1005-4774(2013)08-0032-04