大跨度預應力渡槽盆式支座與剛性連接結構對比分析

郝亞嬋

(山西省水利水電勘測設計研究院， 山西 太原　030024)

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大跨度預應力渡槽盆式支座與剛性連接結構對比分析

郝亞嬋

(山西省水利水電勘測設計研究院， 山西 太原030024)

隨著施工技術的發展、施工方法的進步，許多在鐵路、公路中常用的大跨度預應力建筑物施工方法在水利工程中開始應用，同時由于跨度的增加，不同的支座形式對大跨度渡槽體型和結構影響很大，本文就橋頭渡槽采用盆式支座與剛性連接對渡槽結構的影響進行分析，針對不同荷載進行了對比研究，根據其優缺點，確定采用盆式支座。

渡槽； 盆式支座； 剛性連接； 荷載

1　概　況

橋頭渡槽位于山西省保德縣橋頭鎮境內，為山西省中部引黃工程總干線1號和2號隧洞之間跨朱家川河的建筑物，槽身由5跨預應力混凝土連續箱梁[1]構成，槽跨布置為30+3×45+30=195m，設計縱坡1/2500，設計流量23.05m3/s，設計水深3.26m，最大墩高54.40m。上部構造為內部等截面(在支點及漸變段采用外側變截面)預應力混凝土連續箱槽，槽跨195m，采用單箱單室斷面，內部尺寸為4.20m×4.20m；跨中梁高5.20m，墩頂位置梁高6.70m。腹板厚度70cm，底板厚50～200cm，頂板厚50cm，渡槽高度、底板厚度按線性變化。槽墩共有4個，墩高7.5～54.4m。槽墩采用7.2m×3.5m的鋼筋混凝土矩形墩, 下接3.5m厚承臺，基礎為D1.8m鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，渡槽主梁采用C50混凝土(抗滲等級為W6，抗凍等級F200)，添加8%抗裂防水劑；槽墩、蓋梁采用C35混凝土(抗凍等級F200)，樁基、承臺采用C30混凝土(抗凍等級F200)。

目前國內對于大跨度預應力渡槽多采用滿堂支架法[2]和移動模架[3]施工，但由于橋頭渡槽受地形條件所限，且槽墩較高，因此采用掛籃懸臂法施工[4]，此種方法，國內鐵路、公路行業采用較多，且跨度越來越大，但水利行業較少見[5]。

2　不同荷載作用下兩種支座的分析

計算分析采用ABAQUS軟件，對梁和墩設定相應的連接條件，實現剛性連接和盆式支座結構型式的模擬。分析采用線彈性有限元法，計算范圍為地基及承臺以上所有結構體，有限元分析網格見圖1。渡槽主梁采用C50混凝土；槽墩、蓋梁采用C35混凝土；樁基、承臺采用C30混凝土。鋼絞線采用高強度鋼絲。

分別計算不同荷載包括豎向荷載(以水重為例)、橫向荷載(風荷載)、溫度荷載、地震荷載作用下的結構響應，在此基礎上對2號、3號墩與槽身不同連接型式對渡槽變形和應力的影響進行對比分析。

圖1　計算模型簡圖

2.1豎向荷載的敏感性

渡槽所有的豎向荷載包括自重、水重、雪荷載等。分析計算以水重為例，設計水深3.26m，按均布荷載作用，分析2號和3號墩盆式支座與槽身剛性連接對結構應力的影響，結果見圖2和圖3。

圖2　設計水重引起的渡槽軸向應力(單位：MPa)(盆式支座)

圖3　設計水重情況下的渡槽軸向應力(單位：MPa)(2號、3號墩剛性連接)

可以看出，與采用盆式支座相比，采用剛性連接時槽身最大軸向應力從0.73MPa下降到0.69MPa，表明剛性連接對降低豎向荷載引起的渡槽應力作用不明顯。

2.2對風荷載的敏感性

風壓力根據《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》(SL 482—2011)計算，作用方向垂直于渡槽表面，圖4和圖6分別為采用盆式支座風荷載下槽身橫向位移、槽身軸向應力。圖5和圖7分別為采用剛性連接風荷載下槽身橫向位移、槽身軸向應力。

圖4　風荷載引起的橫向位移(單位：m)(盆式支座)

圖5　風荷載引起的橫向位移(單位：m)(2、3號墩剛性連接)

圖6　風荷載引起的渡槽軸向應力(單位：MPa)(盆式支座)

圖7　風荷載引起的渡槽軸向應力(單位：MPa)(2、3號墩剛性連接)

與采用盆式支座相比，采用剛性連接，位移減小，從44mm下降到26mm；槽身軸向應力也減小，從±0.90MPa 降低到±0.40MPa；但槽墩豎向應力增加，從±1.90MPa上升到±2.60MPa。

2.3對溫度荷載的敏感性

渡槽所在地的年平均氣溫為9.8℃，月平均最高氣溫24.8℃，月平均最低氣溫-8.1℃，計算體系升溫25℃，體系降溫-20℃；粱箱外內表面溫差：正溫差取10℃，負溫差取-8℃。

由于線性溫差對整體變形影響不大，因此，僅考慮體系均勻溫度變化[7]，這里以體系均勻溫升25°為例進行分析。

對于盆式支座和剛性連接，槽身位移和應力沒有明顯變化；但槽墩應力變化較大，第一主應力從1.51MPa上升到2.70MPa，圖8和圖9分別為兩種支座應力計算成果。

圖8　均勻溫升引起的豎向應力(單位：MPa)(盆式支座)

圖9　均勻溫升引起的豎向應力(單位：MPa)(2、3號墩剛性連接)

2.4地震響應

采用振型分解反應譜法[8]計算。計算范圍：承臺以上所有結構體，槽內水位按設計水位，不考慮地基變形。地面運動加速度施加于承臺底部，其中水平向加速度0.10g，豎向0.0667g。

2.4.1結構自振特性

對于盆式支座，結構的前3階頻率較低且各模態間自振頻率相差不是很大。在結構的前4階模態中，分別以槽身縱向平移、橫向平移、水平扭轉及水平彎曲為主；第5～7階模態以槽墩變形為主模態，第8階則為槽墩和槽身共同變形模態。

對于剛性連接，在結構的前4階模態中，分別以槽身縱向平移、橫向平移、水平扭轉及水平彎曲為主，這與盆式支座連接時的模態類似，不同的是槽身位移會帶動2號和3號墩變形；而第5～7階模態則主要是槽墩和槽身共同變形模態，與盆式支座連接有一定差異。

分析結果見表1。

表1　結構前10階模態自振頻率及周期

2.4.2地震動位移

對于盆式支座，不同方向地震及其組合下，渡槽最大相對位移(相對于地面運動)及發生位置見表 2。可以看出，水平向(X向和Y向)地震引起的位移較大，分別為58.10mm和61.80mm；豎向地震對結構影響較小；三向地震情況下，最大位移為84.80mm，發生在槽身中部。

表2　地震荷載作用下渡槽最大相對位移及發生位置(盆式支座) 　單位：mm

對于剛性連接，不同方向地震及其組合下，渡槽最大相對位移(相對于地面運動)及發生位置見表3。可以看出，受槽墩約束影響，水平向(X向和Y向)地震引起的位移小于盆式支座情況，分別為35.60mm和51.90mm；豎向地震對結構影響較小；三向地震情況下，最大位移為63mm，發生在槽身中部。

表3　地震荷載作用下渡槽最大相對位移及發生位置(剛性連接)　單位：mm

2.4.3地震動應力

對于盆式支座，不同方向地震及其組合下，第一主應力均發生在槽墩底部，特別是墩高較大的2號和3號墩墩底，三向地震時第一主應力為5.20MPa。在有橫向地震作用時，槽身中部兩側拉應力也相對較高，三向地震時第一主應力1.60MPa。表4列出了不同地震組合時2號墩底部和槽身中部側面的拉應力數值。

表4　地震荷載作用下渡槽第一主應力(盆式支座)　單位：MPa

對于剛性連接，不同方向地震及其組合下，渡槽第一主應力均發生在槽墩底部，特別是墩高較大的2號和3號墩墩底，第一主應力5.58MPa。在與槽墩連接位置，槽身的拉應力也相對較高，三向地震時達2.74MPa。表5列出了不同地震組合時2號墩底部和槽身中部側面的拉應力數值。

表5　地震荷載作用下渡槽第一主應力(剛性連接)　單位：MPa

3　剛性連接與盆式支座的對比分析

不同荷載作用下2號、3號墩采用盆式支座及與槽身剛性連接對比見表6，從中可以看出：剛性連接對于降低豎向荷載引起的槽身拉應力效果不明顯，降幅約5%；但可減少橫向荷載引起的槽身縱向應力，降幅約20%，相應橫向位移也有所降低。不過剛性連接的弊端也很明顯，會顯著增加風荷載及地震時槽墩底部的應力，增幅分別在40%和30%左右。

表6　盆式支座與剛性連接計算結果對比

4　結論及建議

經過分析比較，對于高墩大跨度渡槽，槽身和槽墩采用盆式支座和剛性連接各有優缺點，采用剛性連接能減少橫向荷載引起的槽身縱向應力，但同時會顯著增加風荷載及地震時槽墩底部的應力，合理確定支座結構型式，才能使槽身和槽墩的應力和位移都處于最優的工況。本渡槽經過兩種支座對比分析，最終確定選用盆式支座，研究成果對類似的高墩大跨度渡槽支座型式選擇有一定的參考意義。

[1]馬保林.高墩大跨連續剛構橋[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]謝玉立.大流量大跨度預應力渡槽支架法現澆施工技術[J].水利建設與管理,2013，33(8):7-12.

[3]張丹微，劉勝峰.矩形槽移動模架在雙洎河渡槽施工中的應用[J].水利建設與管理，2014，2(4)：18-21.

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[8]SL 203—97水工建筑物抗震設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，1997.

Contrast analysis of large-span prestressed aqueduct basin-type bearing and rigid connection structure

HAO Yachan

(ShanxiWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Taiyuan030024,China)

Many commonly-used large-span prestressed building construction methods are applied in water resources projects with the development of construction technology and the progress of construction method. Meanwhile, different bearing forms have great influence on large-span aqueduct shape and structure due to span increase. In the paper, the influence of adopting basin-type bearing and rigid connection on aqueduct structure in bridge aqueduct is analyzed. Basin-type bearing is adopted according to the result of the comparative study aiming at different loads.

aqueduct; tub bearing; rigid connection; load

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.10.008

TV672+.3

A

1005-4774(2016)10- 0026- 05