黑河輸水渠道灃峪渡槽槽身結構穩定性分析研究

孫宇飛,王海婷

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 引言

灃峪渡槽位于秦嶺北麓灃峪口,是黑河輸水渠道的重要輸水建筑物,渡槽上部行水結構采用現澆250#鋼筋混凝土長度67.48 m,設計流量14 m3/s,加大流量15 m3/s,下部支撐為拱板,主拱圈為變截面懸鏈線無鉸拱,拱軸系數采用1.347,拱跨40 m,采用現澆 250#鋼筋砼,主拱圈上為現澆250#鋼筋砼單肢排架,排架間距5 m。邊跨排架高6.79 m,拱墩采用150#現澆鋼筋砼,高2.2 m,寬2.4 m,長4.0 m,置于微風化基巖上[1-3]。

灃峪渡槽1994年建成并投入使用,承擔著西安市的供水任務,現已運行近二十年,為保證渡槽的安全運行,需對渡槽結構穩定性進行分析。渡槽在不同荷載、不同的荷載組合作用下結構的應力、變形狀態較復雜,采用一般的計算方法很難準確地反映在各種運行工況下結構內部應力的實際分布及變形規律[4]。

宋兵偉等[5]采用ANSYS 有限元軟件通過三維有限元數值模擬計算的方式對英那河渡槽進行了結構分析,考慮了在多種荷載因素影響下的主拱圈的應力和變形。甘磊等[6]采用ABAQUS 軟件建立三維有限元計算模型,結合均質化理論,分析了應力、位移、沉降等因素對于渡槽結構的影響,綜合評價了渡槽的結構安全性能。羅日洪等[7]人優化了模糊綜合評價法（FCE）,綜合主觀權重與客觀權重,并引進全優型合成算子計算總目標隸屬度,再與對應的風險等級進行加權綜合得到風險度,以此確定渡槽的安全類別。張偉[8]采用Midas 對舒廬干渠泉水堰渡槽進行結構計算分析,能夠較為直觀的實現結構計算和驗算,達到工程分析的進度要求。何利濤等[9]采用有限元仿真技術分析了渡槽結構應力和變形,結果表明通過預應力混凝土結構可以有效控制渡槽結構拉應力。

本文選用Midas 有限元軟件構建渡槽三維計算模型,通過模型計算的方式對渡槽槽身結構穩定性進行分析研究。

1 有限元模型基本參數

1.1 計算模型參數

結構復核計算中選取平面有限元方法進行,槽身、主拱圈采用三維整體計算模型,支架分構件建模,渡槽上部欄桿及路面做法轉換為二期荷載施加,人群按移動荷載施加,整體計算所采用的單元和連接形式見表1。

表1 模型單元及連接參數

1.2 荷載參數

計算的荷載參數包括自重（含槽箱、主拱、墩帽、墩柱）、二期荷載、水重、風荷載、整體升溫及降溫、梯度升溫及降溫等。

1.3 荷載效應組合

渡槽承載能力極限狀態荷載效應組合：

（1）組合1：基本組合

永久荷載對結構不利：

永久荷載對結構有利：

（2）組合2：偶然組合

永久荷載對結構不利：

式中：SGik為自重等永久荷載標準值產生的荷載效應；SQik為一般可變荷載標準值產生的荷載效應；SAk為偶然荷載標準值產生的荷載效應。

1.4 結構計算模型

灃峪渡槽有限元模型見圖1。

圖1 灃峪渡槽空間分析計算模型

2 承載力驗算方法

根據《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）的規定,渡槽構件承載力采用下列公式驗算[10]：

式中：K 為承載力安全系數,按《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）的規定選用；S 為荷載效應組合設計值；R 為結構構件的截面承載力設計值,由材料的強度設計值及截面尺寸等因素計算得出。

3 結構穩定性計算

3.1 槽身結構分析

根據現場檢測結果,所檢構件強度均滿足設計值,在模型計算時均按照設計時材料強度取值,即：250#混凝土軸心抗壓強度設計值為11.9 MPa,軸心抗拉強度設計值為1.78 MPa；鋼筋為HPB235,軸心抗拉強度設計值為210 MPa。

3.2 荷載工況及內力計算

3.2.1 荷載工況

（1）工況一

空槽運行工況：荷載考慮渡槽和橋墩自重、二期荷載及風荷載,荷載應組合考慮組合1（基本組合）,永久荷載對結構產生不利影響。

（2）工況二

設計水位運行工況：在考慮結構自重、二期荷載和風荷載的基礎上,添加設計水位、整體升溫降溫、梯度升溫降溫引起的荷載變化,荷載效應組合考慮組合1（基本組合）,永久荷載對結構產生不利影響。

（3）工況三

極限運行工況：在工況二的運行工況中將設計水深更改為滿槽水深,效應組合按照組合2（偶然組合）。

3.2.2 內力計算

按照現場實際檢測結果,建立有限元模型,計算跨跨中附近截面和支座附近截面各工況承載能力極限狀態下內力計算結果及正常使用極限狀態下跨中彎矩計算結果見表2,各狀態下內力云圖見圖2、圖3。

圖2 渡槽承載能力極限狀態下各工況內力圖

圖3 渡槽正常使用極限狀態各工況內力圖

表2 各工況下極限狀態內力計算結果

3.3 正截面受彎承載力驗算

按《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）中第6.2節的相關要求對渡槽縱向承載力進行復核[10]。組合1（基本組合）安全系數不小于1.2,組合2（偶然組合）安全系數不小于1.0。

槽身正截面抗彎承載力計算結果見表3。計算結果表明,灃峪渡槽槽身構件縱向計算的正截面抗彎承載力滿足現行規范要求。

表3 槽身縱向正截面抗彎承載力計算結果

3.4 斜截面受剪承載力驗算

槽身斜截面受剪承載力復核計算選取支座附近處進行復核,按《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）中第6.5.1條和6.5.3 條的要求分別進行截面復核和承載力復核[10]。

（1）截面復核

鋼筋混凝土結構構件斜截面抗剪承載力中截面安全系數范圍限值為：組合1（基本組合）安全系數不小于1.2, 組合2（偶然組合）安全系數不小于1.0。槽身構件支座附近截面承載力截面復核計算結果見表4。結果表明,該槽身結構斜截面抗剪承載力中截面滿足現行規范要求。

表4 槽身斜截面抗剪承載力中截面計算結果

（2）承載力復核

鋼筋混凝土結構構件斜截面抗剪承載力安全系數范圍限值為：組合1（基本組合）安全系數不小于1.2,組合2（偶然組合）安全系數不小于1.0。槽身構件支座附近截面承載力復核計算結果見表5。結果表明,該槽身結構斜截面抗剪承載力中承載力滿足現行規范要求。

表5 槽身斜截面抗剪承載力中截面承載力復核計算結果

3.5 槽身抗滑穩定復核

槽身結構抗滑穩定安全系數K1按照下式計算：

式中：fb為支座摩擦系數,取0.06；N1為槽身無水時的自重,取635.4 kN；P1為作用于槽身的水平向風壓力,取24.23 kN。

抗滑動穩定安全系數規范限值為1.5。經計算,灃峪渡槽槽身抗滑穩定安全系數為1.6,滿足規范要求。

3.6 槽身抗傾覆穩定復核

槽身結構抗傾覆穩定安全系數K1按照下式計算：

式中：Mn為抗傾覆力矩,5 m 跨空槽時Mn=1127.8 kN·m；Mp為傾覆力矩,5 m 跨風荷載Mp=43.0 kN·m。

抗傾覆穩定安全系數規范限值為1.1。灃峪渡槽槽身抗傾覆穩定安全系數為26,滿足規范要求。

4 結論

本文通過對灃峪渡槽各部位構建計算模型,得出如下結論：

（1）經復核計算可知,灃峪渡槽的槽身縱向計算的正截面抗彎承載力、槽身結構斜截面抗剪承載力中截面、槽身結構斜截面抗剪承載力中承載力均滿足現行規范要求,綜合評價該渡槽槽身結構穩定性符合規范要求。

（2）可以采用Midas 有限元軟件通過構建渡槽槽身結構的三維計算模型來對其進行安全復核,各項參數的計算能夠滿足規范對于驗算參數計算的要求。