樂灘水庫引水灌區一期工程北干渠上料渡槽結構設計及計算分析

董薔薇

【摘 要】上料渡槽是桂中樂灘水庫引水灌區一期工程實施的第一座預應力渡槽，跨度為24 m，采用薄殼“U”形結構，加大輸水流量為21.31 m3/s。鑒于上料渡槽跨度大、橫向寬、結構單薄、輸水流量大等特點，需對上料渡槽進行結構研究，確保結構安全。文章采用邁達斯有限元軟件進行渡槽空間實體單元結構計算，CIVIL橋梁有限元軟件計算渡槽的縱向配筋與fea實體單元有限元軟件計算渡槽的橫向配筋，最終確定預應力渡槽結構尺寸、預應力鋼束布置數量和位置、渡槽端肋及槽身普通鋼筋配筋大小，服務于工程。

【關鍵詞】預應力“U”形渡槽；縱向預應力結構計算；橫向結構計算；樂灘水庫引水灌區

【中圖分類號】TV314 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）02-0104-03

1 工程概況

廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區設計灌溉面積為8.59萬hm2（128.8萬畝）。灌區工程分一期、二期工程，一期工程包括總干渠及北干渠，設計灌溉面積為3.65萬hm2（54.7萬畝），設計概算總投資約26.5億元。二期工程包括南干渠、遷江分支渠及石陵分支渠，設計灌溉面積為4.94萬hm2（74.1萬畝），設計概算總投資近40億元。北干渠從龍馬林場始，經合山市后在上雷處進入長隧洞，在屯武附近接明渠，然后經良塘、城廂等鄉鎮，至正龍鄉略蒙水庫止，總長56.56 km。北干渠共布置有19座渡槽，其中包括跨北之江的上料渡槽，北干渠所有渡槽的總長8 263 m。

上料預應力渡槽為北干渠上料渡槽的一跨24 m預應力渡槽。位于北干渠樁號B33+243.024 m處，與來賓至思練公路交叉穿越，設計流量為17.05 m3/s，加大流量為21.31 m3/s。上料渡槽采用“U”形斷面，設計縱坡i=1/4 000，圓弧半徑為2.5 m，設計水深為2.97 m，加大水深為3.44 m，槽身高度為4.35 m，渡槽左側頂部設人行橋，寬為1.36 m。布置如圖1所示。

上料渡槽是桂中樂灘水庫引水灌區一期工程實施的第一座預應力渡槽，跨度為24 m，采用薄殼“U”形結構。鑒于上料渡槽跨度大、橫向寬、結構單薄、輸水流量大等特點，需對上料渡槽進行結構研究，確保結構安全。

2 計算條件和方法

上料渡槽24 m跨預應力槽段進行有限元分析。采用邁達斯CIVIL有限元軟件對渡槽沿水流方向的縱梁進行結構計算，邁達斯fea有限元軟件對渡槽垂直水流方向橫向進行普通鋼筋配筋計算。計算時采用的單位為s（時間）、kg（質量）、kN（力）、m（長度）。

2.1 計算條件

構件類型：A類部分預應力；設計安全等級：一級；構件制作方法：現澆；預應力張拉形式：后張法。

2.2 計算假定及邊界條件

（1）溫變場對混凝土結構的裂縫影響很大，需考慮溫度場對結構的影響。

（2）欄桿及拉桿在模擬時直接加均布荷載。拉桿作用作為結構安全儲備。

（3）渡槽支座處采用簡支約束。

2.3 計算荷載

結構自重：93.75 kN/m；端肋自重：7.88 kN/m；欄桿重：1.19 kN/m；拉桿重：4.06 kN/m；人行板重：2.34 kN/m；人群荷載計算：2.72 kN/m；加大水深水重：141.92 kN/m；溫度荷載：采用梯度荷載，側槽內外水溫差為9 ℃（外高內低），底槽內外水溫差為5 ℃（外高內低）；張拉控制應力允許值：0.75×1 860=1 395 MPa。

2.4 縱向預應力鋼筋計算

邁達斯CIVIL有限元軟件計算理論為空間桿系有限單元法，利用軟件PSC設計驗證功能驗算預加的鋼束需要滿足規范要求。通過取上料渡槽23.96 m預應力渡槽混凝土整體結構作為計算對象，梁單元10個；節點數量：11個；鋼束數量：6孔道58束；邊界條件數量：2個；施工階段：1個。有限元計算模型如圖2所示。

2.5 橫向結構計算

因CIVIL屬于桿系有限元軟件不能模擬實體單元，故采用邁達斯fea實體單元有限元計算軟件進行上料渡槽24 m預應力槽段的結構計算。取23.96 m預應力渡槽槽身作為有限元計算對象。具體單元劃分情況如圖3所示。

3 結構有限元計算分析

計算結果采用“雙規范”（即水利部門的規范及交通部門的規范）控制。對于縱向計算，因交通部門的規范相對于水利部門更為嚴格，施工階段法向壓應力驗算、受拉區鋼筋的拉應力驗算、使用階段正截面抗裂驗算、使用階段斜截面抗裂驗算、預應力混凝土構件使用階段正截面抗裂驗算、預應力混凝土構件使用階段斜截面抗裂驗算、預應力混凝土構件使用階段抗扭驗算等均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）要求。橫向配筋計算采用水利部門規范，滿足《水工混凝土結構設計規范》（SL 191—2008）的相關要求，采用應力圖形面積配筋法與按裂縫寬度控制計算配筋法雙控制法，選結果較大為最后計算方法。

3.1 縱向預應力鋼筋計算結果

預應力鋼束總共6束Φs15 mm的預應力鋼絞線，上部加大部分兩側各采用1孔道7束Φs15.2 mm直線預應力鋼絞線；底板采用4孔道44束Φs15 mm直線預應力鋼絞線。

普通鋼筋分為2種，縱向鋼筋采用直徑為25 mm的HRB400鋼筋，間距為100 mm。抗剪箍筋采用2肢直徑為16 mm的HRB 400鋼筋。

3.2 橫向結構計算

上料渡槽“U”形斷面橫向計算選用4個斷面：跨中及邊跨、端肋及拉桿。建立有限元模型時，采用精細劃分網格，自直段與圓弧交接面往下每隔15°劃分一個斷面，用此斷面進行配筋計算。經過計算發現，在端肋及槽身90°斷面及45°斷面應力較大，配筋也大，端肋45°法向應力最大，配筋亦最大。拉桿網格與槽身網格共節點。端肋網格劃分如圖4所示，槽身網格劃分如圖5所示。

渡槽橫向配筋計算包括跨中、邊跨、端肋和拉桿配筋計算，采用應力圖形面積配筋法與按裂縫寬度控制計算配筋法，計算結構取2種方法中較大的結果。具體計算配筋結果見表1。

4 結論及建議

（1）采用MIDAS/Civil軟件進行渡槽縱向預應力鋼筋設計時，因交通部門的規范相對于水利部門更為嚴格，為確保重要結構安全運行，故結構驗算指標遵守交通部門的規范要求。

（2）采用MIDAS/FEA有限元軟件進行渡槽橫向結構計算時，考慮溫度荷載的作用，對計算斷面進行單元細化，從而獲取每個斷面的應力面積，使三維實體單元有限元模型不僅能分析結構的位移變形、應力應變分布趨勢，也能方便常規的配筋計算，獲取準確的配筋計算成果。

（3）進一步驗證了采用邁達斯CIVIL有限元軟件進行渡槽沿水流方向的預應力鋼束設計與邁達斯fea有限元軟件進行渡槽垂直水流方向的結構計算相結合的計算方法，能夠全面地研究預應力渡槽縱向及橫向的應力變形問題，準確地擬定預應力渡槽結構布置形式、成果及普通鋼筋配筋成果。

參 考 文 獻

[1]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數值方法[M].北京：清華大學出版社，2000.

[2]北京邁達斯技術有限公司.MIDAS Civil 02.Advanced Applications[M].北京：北京邁達斯技術有限公司，

2007.

[3]北京邁達斯技術有限公司.MIDAS分析與設計原理[M].北京：北京邁達斯技術有限公司，2010.

[4]廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院.廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區工程項目建議書（修訂本）[Z].2007.

[5]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[6]SL 191—2008，水工混凝土結構設計規范[S].