樂灘水庫引水灌區(qū)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(qū)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(qū)

【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(qū)設計灌溉面積為8.59萬hm2（128.8萬畝）。灌區(qū)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(xiāng)鎮(zhèn)，至正龍鄉(xiāng)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(qū)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(guī)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(jié)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(guī)范”（即水利部門的規(guī)范及交通部門的規(guī)范）控制。對于縱向計算，因交通部門的規(guī)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(qū)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(guī)范》（JTG D62—2004）要求。橫向配筋計算采用水利部門規(guī)范，滿足《水工混凝土結構設計規(guī)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?？辜艄拷畈捎?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(fā)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(jié)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(guī)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(guī)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(guī)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(qū)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(qū)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(guī)范[S].

[6]SL 191—2008，水工混凝土結構設計規(guī)范[S].