不同受力階段下預應力渡槽有限元數值模擬分析

摘要：為系統分析渡槽受力行為，文章以某上跨高速公路、主跨為35 m的預應力渡槽為研究對象，基于有限元軟件，分別考慮無水和滿水兩種受力階段，對渡槽承載能力、應力和抗裂性等進行計算分析。結果表明，所選取的渡槽結構尺寸和鋼束配置滿足使用要求，滿水受力階段槽身橫向應力水平較低。

關鍵詞：預應力渡槽；有限元；受力階段；計算分析

中文分類號：U448.12+2A591973

0引言

渡槽是一種水利設施，用于輸送渠道水流跨越河渠、溪谷、洼地和道路等障礙物。在國內，渡槽被廣泛應用于農業灌溉、城市供水、水力發電等領域。近年來，我國水利工程得到了快速發展，渡槽作為其中的重要組成部分，也得到了廣泛應用。目前，國內渡槽建設已形成了一定的規模和體系，主要采用砌石、混凝土及鋼筋混凝土等材料。在建設過程中，渡槽技術不斷升級，從傳統的土石結構發展到現代化的鋼筋混凝土結構，大大提高了渡槽的穩定性和耐久性。

預應力渡槽實現了鋼筋混凝土渡槽在跨徑上的實質性跨越，截面形式多采用薄壁U型、矩形等。其中，薄壁U型梁式渡槽跨度通常≤20 m，矩形渡槽適用的跨度范圍更廣。王沛［1］對預應力渡槽槽身結構設計關鍵參數進行了分析；高德坤［2］基于模糊綜合評價法，對運營多年的渡槽服役狀態劣化情況進行了計算評估；許新勇等［3］以南水北調工程某大型渡槽為分析對象，依托ABAQUS軟件，探討了強震作用下渡槽結構地震動破壞機理；李濤［4］立足具體工程剖析了渡槽施工技術要點和質量保證措施。關于渡槽結構的研究文獻大多聚焦于施工技術、結構設計和運營期滿水狀態下安全性分析等，相對缺少對于渡槽典型受力工況的分析計算。基于此，本文借助ABAQUS軟件，考慮無水、滿水兩種受力階段，對上跨某高速公路大跨徑矩形梁式渡槽進行計算分析，以期提高相關設計與管養人員對于渡槽受力情況的全面認識。

1研究對象

國內某區域為滿足農業灌溉需求，在縣域內將輸水體系進行互通互聯，在上跨高速公路主線處設置一處（25+35+35+25）m四跨預應力現澆連續渡槽，渡槽截面為矩形形式，主跨選取35 m以滿足上跨高速公路需求，渡槽底至路基頂面凈空為5.8 m。為銜接兩側溝渠平面線形需要，渡槽邊跨取25 m以直代曲，與兩側溝渠順接，邊跨外懸臂長度均為3 m。預應力渡槽總體布置圖如圖1所示，渡槽槽身截面如圖2所示。

渡槽所在地抗震等級為Ⅵ級，采用二級水工建筑物進行設計，設計使用壽命為50年。結合相關規范［5-6］，渡槽槽身斷面根據設計流量、水力坡降等經水力計算后確定，本文取槽身總寬5.6 m、凈寬3 m、總高2.4 m、凈深2.2 m，腹板厚度為50 cm，底板厚度為30 cm，槽身采用等截面形式，腹板頂部翼板寬度為1.5 m，以便于設置護欄，槽頂順槽身方向每2 m設置一道混凝土拉桿，拉桿高度為10 cm、寬度為20 cm，拉桿內設置鋼筋。0#和4#橋墩采用樁柱一體式橋墩，樁徑為1.6 m，1#～3#墩徑為1.4 m，樁徑為1.6 m，所有樁基根據地勘情況均按照嵌巖樁設計，嵌入中風化巖層深度≥4倍樁徑。

2有限元模型

2.1材料參數

材料參數選取是有限元分析的基礎，槽身混凝土強度等級為C50，槽身腹板頂共布置4束s15.2-16直線型鋼絞線，為滿足彎矩變化需要，腹板中底部共布置6束s15.2-13曲線型鋼絞線，鋼絞線彈性模量為195 000 MPa，抗拉強度設計值為1 860 MPa，錨下控制應力為1 395 MPa，槽內灌溉水容重為10 kN/m3，不計水與槽身之間的摩擦沖擊力作用。為提高渡槽運營全過程的安全性和耐久性，按照全預應力構件進行設計，混凝土和鋼絞線均考慮彈性受力階段。

2.2有限元模型

下穿高速公路在設計時，將該渡槽與沿線上跨人行天橋一并納入總體設計范疇，因此渡槽施工不影響下穿道路。基于此，渡槽槽身采用滿堂支架施工，混凝土采用分層澆筑施工技術，槽身澆筑完畢后安裝槽頂護欄，渡槽灌溉水荷載按照可變荷載進行考慮。基于Midas Civil軟件，采用空間梁單元模擬渡槽。建模時考慮混凝土收縮徐變作用，四跨預應力渡槽共計54個單元、55個節點。按照實際約束情況對渡槽進行邊界條件模擬：3#墩墩頂支座按照固定鉸支座進行模擬，其余墩墩頂按照活動鉸支座進行模擬。

3計算結果分析

永久作用包括結構自重和護欄荷載，可變作用包括水荷載、溫度梯度和截面梯度溫度。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）規范［7］，承載能力分析時取基本組合，即1.2×永久作用標準值+0.75×1.4×可變作用標準值；應力分析時取標準組合，即永久作用標準值+可變作用標準值；抗裂性分析時取準永久組合，即永久作用標準值+0.4×可變作用標準值。系統升降溫按照25 ℃進行考慮，截面梯度溫度按照規范［7］進行選取。

3.1無水受力階段

槽身混凝土利用滿堂支架澆筑完成后，安裝槽頂兩側護欄，此時渡槽處于無水受力階段。設γMu，max、γMu，min、Mn，max、Mn，min分別為彎矩最大組合值、最小組合值、最大抵抗值、最小抵抗值，計算得到無水階段抗彎承載能力驗算結果如圖3所示，其中單元計算結果均取i端位置，1號墩墩頂截面、2號墩墩頂截面和第二跨跨中截面對應的單元編號分別為13、28和21。

根據抗彎承載能力計算結果，彎矩組合值均位于抵抗值包絡圖范圍內，抗彎承載力滿足要求，彎矩最大組合值位于1號墩墩頂處，最大負彎矩組合值為39 621.2 kN·m，截面所提供的最大負彎矩抵抗值為53 299.4 kN·m，得到抗彎安全系數為1.3。此外，根據應力計算結果，截面最大壓應力為14.6 MPa，小于規范容許值16.2 MPa，同時截面未出現拉應力，抗裂性滿足要求。

3.2滿水受力階段

在渡槽運營過程中，當輸水量達到設計水深1.5 m時，渡槽處于滿水狀態，灌溉水荷載按照45 kN/m考慮，計算得到滿水階段抗彎承載能力驗算結果如圖4所示。

與無水受力狀態相比，渡槽在滿水受力狀態下的彎矩抵抗值不發生改變，彎矩組合值沿槽身進行了重分布，1#墩墩頂負彎矩由39 621.2 kN·m增加至47 475.2 kN·m，安全系數由1.3降低至1.1；2#墩墩頂負彎矩由32 276.1 kN·m增至41 097.6 kN·m，安全系數由1.7降低至1.3。然而在滿水狀態下，渡槽跨中截面抗彎安全系數大幅度增加，第二跨跨中截面由10 620.2 kN·m降至7 150.7 kN·m，安全系數2.5增加至3.7，表明了水荷載對跨中截面抗彎能力的影響較墩頂截面更為敏感。

此外，根據應力計算結果，滿水受力階段截面應力數值變化不大，由原來的14.6 MPa降低至14.2 MPa，且均位于1#墩墩頂截面頂緣，這與該位置鋼束的布置密切相關，鋼束通過1#墩時，均布置在負彎矩方向，因此截面頂端存在較大的預壓應力儲備。此外，截面未出現拉應力，滿水狀態下，其抗裂性滿足要求。

3.3局部應力分析

為進一步研究滿水荷載作用下矩形截面周向變形情況，根據圣維南原理，當邊界條件距離分析位置越遠時，邊界條件的設置對計算結果的影響越小，基于ABAQUS軟件，取主跨跨中10 m節段為分析對象，考慮水荷載對槽身的側壓力作用，建立滿水狀態下的實體有限元模型，得到渡槽橫向應力分布和跨中截面主拉應力分別如圖5和圖6所示。

根據應力計算結果，在結構恒載和水荷載共同作用下，槽身橫向應力較小，橫向應力最大值位于跨中截面拉桿與渡槽連接處拉桿頂部，最大值為1.16 MPa，小于混凝土抗拉強度設計值1.83 MPa，就渡槽槽身而言，橫向應力均＜1 MPa。經渡槽主拉應力分析，最大主拉應力同樣位于拉桿處，其數值為1.31 MPa，均小于混凝土抗拉強度設計值，且拉桿截面配置了一定數量的鋼筋，因此渡槽局部應力滿足使用要求。

4結語

本文以某上跨高速公路主跨35 m預應力渡槽為研究對象，基于ABAQUS軟件，對渡槽在無水和滿水兩種不同受力階段下的結構響應進行了計算分析，得出主要結論如下：

（1）兩種不同受力階段，抗彎承載能力、應力和抗裂性均滿足要求，渡槽結構尺寸選取和鋼束配置較為合理可行。

（2）相比于無水受力階段，滿水狀態下，跨中截面受力得到明顯改善，而支點截面受力更為不利，支點截面為兩階段受力控制截面，對于連續體系預應力渡槽而言，應重點關注支點截面抗彎承載能力。

（3）經節段實體有限元分析，滿水狀態下槽身橫向應力整體水平較低，最大主拉應力位于拉桿處，建議加強大斷面渡槽拉桿設計與驗算分析。

參考文獻：

［1］王沛.預應力U型薄殼渡槽槽身結構設計分析 ［J］.陜西水利，2023，（2）：121-124，127.

［2］高德坤.基于模糊綜合評價法的渡槽服役狀態劣化評估［D］.鄭州：華北水利水電大學，2021.

［3］許新勇，劉旭輝，蔣莉.強震作用下大型渡槽結構地震動力破壞機理分析 ［J］.華北水利水電大學學報（自然科學版），2022，43（4）：48-53.

［4］李濤.水利項目中渡槽施工技術要點分析 ［J］.黑龍江水利科技，2023，51（9）：73-75.

［5］GB 50288-2018，灌溉與排水工程設計標準［S］.

［6］NB/T 11011-2022，水工混凝土結構設計規范［S］.

［7］JTG3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

作者簡介：秦帥帥（1993—），工程師，主要從事高速公路工程建設管理工作。