南水北調(diào)預(yù)應(yīng)力排水渡槽結(jié)構(gòu)靜力分析

王 磊

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450000)

南水北調(diào)預(yù)應(yīng)力排水渡槽結(jié)構(gòu)靜力分析

王 磊

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450000)

南水北調(diào)中線工程中需要建設(shè)大量預(yù)應(yīng)力排水渡槽。本文采用有限元分析方法針對(duì)南水北調(diào)大型預(yù)應(yīng)力排水渡槽在各種受力狀況下結(jié)構(gòu)的靜力狀況進(jìn)行分析，從而為類似工程在運(yùn)行或施工期間槽身斷面受力研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問(wèn)題提供一定的參考。

渡槽;預(yù)應(yīng)力;設(shè)計(jì)方案;有限元;南水北調(diào)

南水北調(diào)中線工程規(guī)劃左岸排水工程有大量預(yù)應(yīng)力排水渡槽。但是因?yàn)楸狈綒夂蛞约昂恿鞯奶攸c(diǎn)，河道處于枯水狀態(tài)，因此渡槽大量時(shí)間處于無(wú)水狀態(tài);但在洪水期，渡槽出現(xiàn)過(guò)流變化大、時(shí)間短且夾帶大量泥沙情況，所以渡槽使用狀態(tài)與一般輸水渡槽情況存在較大差異。

本文研究的對(duì)象是南水北調(diào)中線工程黃河北段上的一座東西方向的預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(guò)水?dāng)嗝?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(xiàn)極限狀態(tài)下該渡槽結(jié)構(gòu)的受力狀況分析如下。

1.1 設(shè)計(jì)條件下系數(shù)取值

該排水渡槽為Ⅰ級(jí)建筑物，渡槽結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值為1.1，整體為結(jié)構(gòu)Ⅰ級(jí)安全等級(jí)。渡槽槽身自重系數(shù)取值為1.05(γG)，校核水荷載系數(shù)取值為1.2(γG)，設(shè)計(jì)滿槽洪水可控可變荷載狀況下系數(shù)取值為1.10(γG)。

在空槽情況下，設(shè)計(jì)狀況認(rèn)為持久狀況，系數(shù)取值為1.0(φ);在校核滿水狀況下，設(shè)計(jì)狀況認(rèn)為短暫狀況，系數(shù)取值為0.95(φ);在校核滿水狀況下，設(shè)計(jì)狀況認(rèn)為偶然狀況，系數(shù)取值為0.85(φ)。

1.2 裂縫控制情況

按照設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求，渡槽槽身不允許出現(xiàn)裂縫，在計(jì)算過(guò)程中一般分為短期和長(zhǎng)期兩種荷載效應(yīng)組合情況;另外，在計(jì)算過(guò)程中拉應(yīng)力可以出現(xiàn)在計(jì)算對(duì)象的邊界部位，但是該區(qū)域所受拉應(yīng)力不能大于相應(yīng)規(guī)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(jì)算條件

整體式計(jì)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(dá)式為：

對(duì)于等效的分布鋼筋，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系矩陣[ Ds]可按下式計(jì)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(yīng)力分析

3.1 縱向應(yīng)力分析

由分析可知，渡槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為集中的部位主要為錨固和支座區(qū)域，受壓區(qū)域主要為邊墻和中墻部分。通過(guò)計(jì)算可知，渡槽跨中下表面混凝土縱向壓應(yīng)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(yīng)力邊墻略小于中墻(見圖2)。

圖2 縱梁下表面混凝土縱向應(yīng)力 單位：MPa

渡槽跨中上表面混凝土存在縱向拉應(yīng)力和縱向壓應(yīng)力;縱向拉應(yīng)力存在于邊墻和中墻兩端小區(qū)域，最大值為：邊墻0.27MPa，中墻0.32MPa;縱向壓應(yīng)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(yīng)力中墻大于邊墻(見圖3)。

圖3 縱梁上表面混凝土縱向應(yīng)力 單位：MPa

通過(guò)計(jì)算，渡槽跨中上、下表面混凝土縱向壓應(yīng)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(yīng)力大于渡槽跨中下表面混凝土縱向壓應(yīng)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(yīng)力和渡槽跨中下表面混凝土縱向壓應(yīng)力對(duì)邊墻縱向拉應(yīng)力的影響在計(jì)算過(guò)程中可忽略;而在設(shè)計(jì)水位情況下，渡槽底板以及邊、中墻的計(jì)算均可按照中到中的長(zhǎng)度計(jì)算。

圖4 底板跨中上、下表面混凝土縱向應(yīng)力 單位：MPa

3.2 橫向應(yīng)力分析

在設(shè)計(jì)條件下，結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力主要集中在錨固及支座部位，經(jīng)計(jì)算得知以上區(qū)域拉應(yīng)力最大為0.97MPa。在工程施工過(guò)程中，由于張拉的作用，渡槽底板拉應(yīng)力處于不斷變化中，最后穩(wěn)定狀態(tài)下橫向壓應(yīng)力為－0.96MPa(見圖5)。

圖5 上表面混凝土橫向應(yīng)力 單位：MPa

橫梁下表面混凝土在各梁跨中區(qū)域存在較大橫向拉應(yīng)力，從橫梁1到橫梁5跨中拉應(yīng)力依次增大，橫梁5跨中最大拉應(yīng)力為2.46MPa，小于混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度(見圖6)。

3.3 豎向應(yīng)力分析

排除渡槽預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固部位及支座位置處的應(yīng)力集中，渡槽豎墻豎向拉應(yīng)力很小，均不超過(guò)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(yīng)力 單位：MPa

圖7 渡槽側(cè)墻迎水面混凝土橫向應(yīng)力 單位：MPa

3.4 變形分析

渡槽在設(shè)計(jì)水位下最大豎向位移發(fā)生在中墻底部，邊墻要略小于中墻。橫梁的最大豎向位移發(fā)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(lái)越大，最大值發(fā)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(shè)計(jì)水位下預(yù)應(yīng)力排水渡槽三維有限元數(shù)值分析表明，排除渡槽預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固部位及支座位置小區(qū)域范圍的應(yīng)力集中外，渡槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形均滿足設(shè)計(jì)要求。局部應(yīng)力集中可通過(guò)適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施予以控制或減弱。

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)條件下，渡槽邊墻上表面混凝土縱向壓應(yīng)力和渡槽邊墻下表面混凝土縱向壓應(yīng)力以及渡槽中墻上表面混凝土縱向壓應(yīng)力和渡槽中墻下表面混凝土縱向壓應(yīng)力在計(jì)算過(guò)程中未發(fā)生變化，對(duì)邊墻縱向拉應(yīng)力的影響在計(jì)算過(guò)程中可忽略;另外，伴隨著橫梁結(jié)構(gòu)中高度的變化，渡槽底板上表面混凝土橫向壓應(yīng)力和渡槽底板下表面混凝土橫向壓應(yīng)力均相應(yīng)增加，通過(guò)比較，上表面增加幅度大于下表面增加幅度，其他區(qū)域未發(fā)生變化;同樣，渡槽底板上表面混凝土豎向壓應(yīng)力和渡槽底板下表面混凝土豎向壓應(yīng)力均相應(yīng)增加，通過(guò)比較，上表面增加幅度大于下表面增加幅度，其他區(qū)域未發(fā)生變化;所以，渡槽結(jié)構(gòu)中縱向拉應(yīng)力和豎向拉應(yīng)力會(huì)隨著橫梁高度的變化而產(chǎn)生一定的變化，盡管影響很小，但是對(duì)于渡槽結(jié)構(gòu)縱梁的變形會(huì)有較大的影響。

1 DL 5077—1997水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

2 SL/T 191—96水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

3 孫明權(quán)．雙泊河渡槽矩形梁式方案槽身應(yīng)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(yīng)用［M］．第二版．北京：中國(guó)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(shù)值方法［M］．第二版．北京：清華大學(xué)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