大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)體系與荷載效應(yīng)研究

熊治華，張愛軍，劉玉擎

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

1 研究背景

國內(nèi)二十世紀(jì)七八十年代建設(shè)的渡槽，當(dāng)前很多處于帶病輸水狀態(tài)，有些甚至因安全問題需拆除重建［1］。隨著南水北調(diào)西線正式啟動、引漢濟(jì)渭等特大型水利工程的逐步實施［2-3］，需建設(shè)一批渡槽等輸水結(jié)構(gòu)物。對于跨越路線長的輸水工程，往往周邊伴隨有市政或國網(wǎng)道路，如何將公路運輸與水利需求兩者有機(jī)銜接、統(tǒng)籌規(guī)劃，對于提高大型基礎(chǔ)設(shè)施的使用率及社會經(jīng)濟(jì)價值顯得尤為重要。德國2003年建成Elbe渡槽可供船舶通航［4］；我國正在建設(shè)的淠河總干渠渡槽主跨110 m，可供船舶通航，主梁采用鋼桁梁拱組合體系［5］，淠河總干渠渡槽建成后將刷新世界通航渡槽記錄；這些工程案例均成功采用了集交通運輸和輸水功能二合一的渡槽結(jié)構(gòu)。從渡槽的荷載體量來看，當(dāng)過水?dāng)嗝婧奢d集度達(dá)到100 kN/m時，其產(chǎn)生的靜力荷載效應(yīng)與單線城際鐵路活載基本相當(dāng)。在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，公路與鐵路橋梁合建在歐洲已經(jīng)發(fā)展近百年，國內(nèi)公路和鐵路合建橋梁近年來更有新的突破，典型工程如滬通長江大橋（主跨1092 m）和平潭海峽大橋（主跨532 m）等［6-7］。因此，從眾多的公路和鐵路合建橋梁工程的成功經(jīng)驗來看，無論從技術(shù)理論或工程實際上槽橋合建均具有可能性。本文將對大跨度槽橋合建的結(jié)構(gòu)體系與荷載效應(yīng)開展研究。

對于槽橋合建結(jié)構(gòu)，渡槽增加了交通運輸功能，而橋梁多了輸水的核心功能。主梁內(nèi)部的流動水給結(jié)構(gòu)體系選擇增加了復(fù)雜性，如內(nèi)部需設(shè)置過水板，且需要大體積空間；主梁內(nèi)部水重的荷載效應(yīng)通常與結(jié)構(gòu)自重恒載產(chǎn)生的效應(yīng)相當(dāng)，當(dāng)輸水流量非常大時，水重集度產(chǎn)生的效應(yīng)甚至超過結(jié)構(gòu)自重恒載效應(yīng)。在槽橋建成運營后，偶然極端荷載如地震［8-10］、強(qiáng)風(fēng)引發(fā)的穩(wěn)定問題對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)比一般橋梁更為顯著［11］。目前的渡槽典型病害很多由于混凝土碳化、凍融以及礦物離子侵蝕造成［12-13］，由于槽內(nèi)水常年流動、沖刷，采用混凝土結(jié)構(gòu)時，材料耐久性尤為重要。

當(dāng)跨度較小時，渡槽常用的結(jié)構(gòu)形式包括簡支鋼筋混凝土槽身和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土槽身［14］，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)中的飛速發(fā)展，近年來預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土槽身有取代混凝土槽身的趨勢。在中等跨徑范圍內(nèi)，公路橋梁中常見橋型為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，其在渡槽中也有了工程應(yīng)用，如貴州徐家灣渡槽［15］。對于大跨徑公路橋梁，結(jié)構(gòu)形式有較多選擇，如：斜拉橋、拱橋、變截面鋼箱梁等。針對具體場地控制因素如通航、地質(zhì)條件等，結(jié)構(gòu)方案比選側(cè)重點不盡相同。在上述大跨度結(jié)構(gòu)體系中，上承式拱結(jié)構(gòu)在渡槽工程應(yīng)用眾多，如貴州龍場渡槽（主跨200 m）［11］、向家壩灌區(qū)渡槽［16］。在管線輸水、輸氣結(jié)構(gòu)中，斜拉索結(jié)構(gòu)是一種常用結(jié)構(gòu)形式［17-18］。在橋梁工程中，斜拉橋通過多索張拉形成超靜定體系，自身剛度大，抗風(fēng)及穩(wěn)定性能優(yōu)越，在特大跨徑橋梁中屬于競爭優(yōu)勢明顯的橋型。基于國內(nèi)渡槽已有的成熟建設(shè)經(jīng)驗，結(jié)合不同跨徑范圍內(nèi)橋型的綜合比選，重點對預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建、上承式拱槽橋合建以及斜拉管橋合建進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系分析。

2 大跨徑槽橋合建典型結(jié)構(gòu)體系分析

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁及剛構(gòu)槽橋合建方案概念設(shè)計 采用預(yù)應(yīng)力混凝土的矩形和U型渡槽目前在水利行業(yè)已經(jīng)有大量的工程應(yīng)用。對于跨徑在50~120 m范圍內(nèi)的槽橋合建結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁具有可設(shè)置過水板、施工工藝成熟等特點，在此跨徑范圍內(nèi)成為首選截面。通過后張拉法在箱室頂、底、腹板設(shè)置預(yù)應(yīng)力，可滿足槽橋合建的功能需求。與普通公路橋梁不同的是，在橋面頂板上，為了減小外界溫度影響，保證冬季輸水的穩(wěn)定性［19］，需設(shè)置保溫層。目前較為常用的是XPS板，其力學(xué)性能優(yōu)異、成本低，不僅在水利行業(yè)有應(yīng)用，在多年凍土道路工程中，也可采用XPS板進(jìn)行保溫，以減小路基下的凍土融化［20］。另外，在公路橋梁中，預(yù)應(yīng)力或連續(xù)梁總體梁高的擬定主要是從結(jié)構(gòu)受力與經(jīng)濟(jì)性出發(fā)來考慮。但在渡槽中，由于輸水的需求，梁高的擬定必須考慮輸水流量，同時要保留箱梁內(nèi)部一定的空間以承受偶然的大流量，這就決定了槽橋合建的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)梁高擬定首先要滿足輸水需求，同時要兼顧結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)性的因素。當(dāng)墩高較小時，宜優(yōu)先采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，避免在溫度力作用下低矮墩產(chǎn)生的過大自內(nèi)力。

以下通過一座主跨100 m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建工程概念設(shè)計對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，總體布置如圖1所示。槽橋總長210 m，跨徑組成為55 m+100 m+55 m，縱坡8‰，設(shè)計流量20 m3/s，過水?dāng)嗝娓?.5 m。上部結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋面寬9.5m，預(yù)應(yīng)力體系采用后張法，頂板、腹板、底板分別配置預(yù)應(yīng)力鋼束?？缰辛焊? m，0號塊梁高7 m。腹板由跨中50 cm漸變至墩頂處80 cm，變化段在箱梁外側(cè)過渡，過水板厚度為30 cm，頂板設(shè)置xps保溫板。兩主墩采用空心薄壁墩，高度分別為68 m和66 m。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建橋型圖（單位：cm）

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建結(jié)構(gòu)典型橫斷面（單位：cm）

結(jié)構(gòu)計算采用CSI Bridge軟件建立空間桿系有限元模型，汽車荷載按公路橋梁通用規(guī)范雙車道公路-Ⅰ級考慮，槽內(nèi)水重按照均布荷載加載。因本文側(cè)重于槽橋合建概念設(shè)計，荷載組合作用采用承載能力極限狀態(tài)時的基本組合［21］，其中在設(shè)計流量下，水荷載集度按照分項系數(shù)1.4計入，當(dāng)按照偶然加大流量計算時，超出設(shè)計流量部分按照偶然荷載計入分項系數(shù)0.75，下文均遵照此原則并簡稱為荷載組合。

如圖3（a）所示，在上部結(jié)構(gòu)中0#塊恒載占總彎矩組合的72%，其余荷載效應(yīng)排序從大到小為水重、交通活載、溫度。這表明在100 m主跨中，預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建結(jié)構(gòu)的上部箱梁抗力將大部分用于抵抗主梁恒載產(chǎn)生的彎矩，交通活載對上部結(jié)構(gòu)影響并不顯著。從圖3（b）可知，下部墩柱彎矩由恒載和水重共同控制，且水重占比更大，此外溫度效應(yīng)對于墩柱彎矩影響達(dá)24%，接近恒載產(chǎn)生的效應(yīng)。

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建結(jié)構(gòu)主梁、墩底荷載產(chǎn)生的彎矩份額

因溫度效應(yīng)對預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋墩柱有顯著影響，進(jìn)一步分析溫度效應(yīng)與下部墩高的關(guān)系，圖4為墩高變化與其溫度效應(yīng)所占總組合效應(yīng)的份額關(guān)系示意圖。由圖4可知，當(dāng)墩高從68 m降到38 m時，溫度效應(yīng)對于矮墩受力極為不利，如本例中墩高為38 m時，溫度荷載效應(yīng)已經(jīng)超過恒載和活載效應(yīng)總和。對于這種情況，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案顯然更為合理。

圖4 墩高變化與溫度效應(yīng)的關(guān)系示意圖

2.2 上承式鋼管混凝土拱槽橋合建方案概念設(shè)計 上承式拱橋在渡槽及公路和鐵路合建橋梁中有廣泛的應(yīng)用，其施工方法與工藝非常成熟［22］。因此，對于120~250 m跨徑范圍的槽橋合建，推薦優(yōu)先考慮上承式拱橋，其主拱截面形式可選用圓鋼管混凝土截面、矩形鋼管混凝土截面，在流量特別大的方案中，主拱肋可選用桁式鋼管混凝土截面。拱上槽橋采用結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)的方案，4~5孔可設(shè)置一道橋面伸縮縫，保證行車舒適性與橋面耐久性。本文以一座主跨160 m上承式鋼管混凝土拱槽橋合建結(jié)構(gòu)概念設(shè)計對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，見圖5所示。

圖5 上承式拱槽橋合建橋型圖（單位：cm）

槽橋主跨長160 m，縱坡8‰，設(shè)計流量20 m3/s。上部結(jié)構(gòu)采用雙幅14 m預(yù)制箱梁，結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)。拱截面采用如圖6所示啞鈴型鋼管混凝土截面，總高為3.0 m，單管管徑為1.2 m，壁厚20 mm。矢高為32 m，拱曲線采用懸鏈線，拱腳采用固結(jié)體系。拱上立柱均采用鋼管混凝土，管徑為1.2 m，壁厚16 mm，立柱橫撐與拱肋橫撐均采用0.8 m鋼管。在概念設(shè)計之初，為了優(yōu)化主拱肋受力，采用等效單肢鋼管混凝土拱肋對懸鏈線參數(shù)m從2.1~2.5進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，圖7反映了隨著m從2.1增大到2.5，拱腳處彎矩值增大77%，L/4（L為拱橋計算跨徑）處彎矩值增大40%，故選定m=2.1。箱梁內(nèi)部過水?dāng)嗝娣譃樽笥覂删€，橋面寬度為11.5 m，公路荷載等級按雙車道公路-I級考慮，箱梁其余細(xì)節(jié)構(gòu)造與2.1節(jié)中類似。

圖6 上承式拱槽橋合建結(jié)構(gòu)典型橫斷面（單位：cm）

圖7 拱軸線參數(shù)m與彎矩關(guān)系（單位：kN/m）

管中混凝土收縮、徐變采用降溫方式施加。水集度、交通活載、恒載等作用產(chǎn)生的軸力與彎矩效應(yīng)在關(guān)鍵截面處所占份額比例分別如圖8（a）—圖8（d）所示，從圖中可見，拱腳處軸力與彎矩主要受結(jié)構(gòu)恒載控制，而到了L/4（L為計算跨徑）和拱頂處水集度和交通活載產(chǎn)生的合計效應(yīng)已經(jīng)超過了結(jié)構(gòu)恒載。對于鋼結(jié)構(gòu)拱肋來說，由于水重和車輛荷載均屬于活載，其在L/4拱到拱頂區(qū)域內(nèi)，由活荷載產(chǎn)生的局部應(yīng)力幅效應(yīng)明顯，在節(jié)點細(xì)節(jié)設(shè)計時更要注意疲勞問題。

圖8 上承式拱槽橋合建荷載效應(yīng)份額

在荷載組合作用下，拱腳、L/4拱、拱頂鋼管和管內(nèi)混凝土最大應(yīng)力情況列于表1中，結(jié)果表明主拱肋強(qiáng)度儲備充足。拱整體穩(wěn)定性如圖9所示，整體面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)為6.89，面外穩(wěn)定系數(shù)為7.83，均大于公路拱橋規(guī)范限值4.0。在交通活載下，拱肋正負(fù)最大撓度出現(xiàn)在L/4附近，正負(fù)最大撓度總和為3L/10 000，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值L/1000。在水集度荷載下，其撓度為0.022 m?？傮w來說，啞鈴型主拱肋剛度大，強(qiáng)度、整體穩(wěn)定均能滿足槽橋合建需求。施工可采用纜索吊裝，主拱合攏前空管截面較高，應(yīng)對纜索吊裝系統(tǒng)以及扣索索力進(jìn)行全程監(jiān)控與動態(tài)調(diào)整，以滿足合攏線形要求，同時確保施工過程中拱肋穩(wěn)定性，管內(nèi)混凝土灌注宜遵循先下后上、對稱灌注的原則。

表1 荷載組合作用下控制截面應(yīng)力 （單位：MPa，+為受拉，-為受壓）

圖9 上承式拱槽橋整體失穩(wěn)模態(tài)

2.3 斜拉管橋合建方案概念設(shè)計 在我國城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、輸水建筑物承擔(dān)輸水流量增大的背景下，相較于其他索結(jié)構(gòu)，大跨徑斜拉橋剛度更大［23］，非常適宜于大跨度管-橋合建。通過第1節(jié)介紹，公路和鐵路合建橋在結(jié)構(gòu)體系上與槽橋合建有相似之處。對于公路和鐵路合建橋梁，斜拉橋是目前主要的橋型方案，鋼桁梁由于自身剛度大，節(jié)段易于標(biāo)準(zhǔn)化等特點，是最為常用的主梁形式。對于輸水管橋合建，其活載特點同樣具有荷載集度重，變形控制嚴(yán)格等特點。因此，推薦鋼桁梁截面斜拉橋為大跨度輸水管-橋合建的推薦結(jié)構(gòu)體系。需說明的是，管橋輸水在截面形式上雖與渡槽不同，但體現(xiàn)在橋梁中的靜力荷載效應(yīng)卻是一致的，故本文將斜拉管橋合建也統(tǒng)一至槽橋合建中，本文2.4節(jié)提出的輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)也印證了該特點。

以一座跨徑組成為168 m+276 m+168 m鋼桁梁斜拉槽橋合建概念設(shè)計為例，來說明斜拉索結(jié)構(gòu)體系在槽橋合建結(jié)構(gòu)中的特點。橋型布置如圖10所示，鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為12 m，桁高12.5 m。主桁如圖11采用斜率為2∶1傾斜布置，上下弦桿尺寸為寬1.2 m高1.3 m。板厚18~24 mm。上層為公路交通橋面系，寬度為28.7 m；下層為輸水管橋面系，寬度為18 m；上下層結(jié)構(gòu)面板均采用正交異性鋼橋面板。輸水管徑為DN3000，設(shè)計水流量為25 m3/s。輸水橋面系結(jié)構(gòu)主體由縱橫梁體系構(gòu)成，橫梁高2 m，板厚16~24 mm，縱梁高1.5 m，腹板厚20 mm。正交異性鋼橋面板板厚16 mm，U肋板厚10 mm。公路交通橋面設(shè)計為雙向四車道，荷載等級為公路-Ⅰ級，兩側(cè)設(shè)置非機(jī)動車道。公路橋面系橫梁高1.3~1.5 m，中縱梁高1.6 m，邊縱梁高1.0 m。索塔采用鉆石型，總高152 m；索塔-拉索錨固體系采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力。全橋采用半漂浮約束體系。

圖10 斜拉管橋合建結(jié)構(gòu)橋型圖（單位：m）

圖11 斜拉管橋合建典型橫斷面（單位：cm）

通過桿系有限元計算成橋狀態(tài)后的內(nèi)力，圖12為斜拉槽橋在水荷載下的變形。斜拉槽橋在水荷載下的最大撓度為：23.5 cm，在交通活載作用下，正負(fù)撓度合計為14.6 cm，參考公路和鐵路合建的蕪湖長江大橋中跨L/550撓度控制，其變形滿足要求。上、下弦桿的應(yīng)力在荷載組合效應(yīng)下如圖13所示，可知上弦最大應(yīng)力為144 MPa，下弦最大應(yīng)力為138 MPa，均有較大的強(qiáng)度儲備。

圖12 水荷載下的主梁變形

圖13 荷載組合效應(yīng)下上、下弦桿應(yīng)力（單位：MPa）

槽橋成橋索力如圖14所示，在拉索及其錨固系統(tǒng)細(xì)節(jié)設(shè)計時，與鋼管混凝土拱橋活載效應(yīng)明顯類似，需關(guān)注由于交通活載或管內(nèi)水重變化引起的應(yīng)力幅，避免過大的應(yīng)力幅帶來的疲勞開裂問題。

圖14 槽橋合建拉索成橋索力示意圖

2.4 輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù) 在鋼-混組合橋梁中，作者提出了鋼-混組合橋梁的活載結(jié)構(gòu)效率系數(shù)LLSI［24］，在本文中，為了綜合體現(xiàn)槽內(nèi)水重、交通活載與結(jié)構(gòu)總體剛度之間的相對關(guān)系，將組合橋梁活載結(jié)構(gòu)效率系數(shù)概念引入到槽橋合建結(jié)構(gòu)中。鑒于LLSI原本的物理含義，在槽橋合建中，將其定義為輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)LLSIaq，其形式變換為式（1）：

式（2）中 Δ為水和交通活載共同引起的主跨最大位移，單位為m。式（3）中W為槽內(nèi)水的集度，單位為kN/m。對于本節(jié)中討論的三種典型大跨度槽橋合建結(jié)構(gòu)，其輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)列于表2。需要說明的是，為了統(tǒng)一參數(shù)便于比較，在表2的LLSIaq欄中交通活載均按照2車道公路I級考慮；LL?SIaq-W欄中均不計入交通活載，僅考慮水集度荷載，為了反映各種結(jié)構(gòu)體系的輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)，加入了通航渡槽數(shù)據(jù)［5］。從表2中可明顯發(fā)現(xiàn)，隨著跨徑增大，槽橋合建輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)明顯下降，超過160 m后下降尤為明顯。通航渡槽須考慮輪船在槽內(nèi)航行的特殊需求，其主梁無論從用鋼量還是剛度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通公路鋼橋需求，其一階整體穩(wěn)定系數(shù)達(dá)65.9［5］，表中輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)更反映了其特殊性。通過輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)分析可知，在結(jié)構(gòu)確定狀況下，水重與交通活載共同決定結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，在特殊情況下，可以控制交通活載的通行，確保結(jié)構(gòu)最大能力輸水，提高輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)，這對于大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)來說非常有效；在一般情況下，輸水和交通活載兩種功能可同時發(fā)揮，具備較強(qiáng)的靈活性。與此同時，輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)不僅可用于公路交通活載的評價，也適用于通航渡槽的結(jié)構(gòu)性能評價。

表2 槽橋合建結(jié)構(gòu)體系的輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù) （單位：kN/m2）

3 大跨徑渡槽的結(jié)構(gòu)重要性劃分原則與推薦的結(jié)構(gòu)體系

槽橋合建結(jié)構(gòu)第一功能定位為輸水，同時兼顧交通運輸。因此，在特殊情況下，如加大流量時可以采用交通管制的措施（雙向通行變?yōu)閱蜗蛲ㄐ校┫拗平煌ɑ钶d以保證總體結(jié)構(gòu)安全運行。目前渡槽結(jié)構(gòu)重要性是依據(jù)水流量的大小而定，然而大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)由于跨徑增大，恒載、交通活載、槽內(nèi)水共同控制其結(jié)構(gòu)安全。特別是在地震、風(fēng)荷載等特殊偶然極端荷載作用下，跨徑大小對于結(jié)構(gòu)總體力學(xué)響應(yīng)起到?jīng)Q定性作用。因此，在概念設(shè)計時不僅要考慮水流量的影響，也要考慮跨徑的影響。參照公路大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，當(dāng)跨徑大于150 m時，槽橋合建結(jié)構(gòu)重要性建議按照公路A類特殊橋梁考慮，即結(jié)構(gòu)重要性等級為最高，抗震概念設(shè)計時采用基于性能的抗震設(shè)計方法。對于跨徑超過150 m的槽橋合建結(jié)構(gòu)，其在施工階段的穩(wěn)定性推薦參考公路橋梁相關(guān)規(guī)范進(jìn)行驗算。當(dāng)槽橋合建結(jié)構(gòu)主跨跨徑超過120 m時，鑒于合建結(jié)構(gòu)投資大、社會影響顯著，建議主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限按照100年考慮，水利行業(yè)規(guī)范驗算時按照不低于2級建筑物考慮。

通過前述分析，槽橋合建結(jié)構(gòu)主跨在50~120 m跨徑范圍以內(nèi)時，建議采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或剛構(gòu)；當(dāng)跨徑范圍在120~250 m時，推薦采用鋼管混凝土拱槽橋合建結(jié)構(gòu)體系；當(dāng)跨徑大于250 m時推薦采用斜拉管橋合建。大跨徑槽橋合建的主跨跨徑與輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)LLSIaq關(guān)系如圖15所示。

圖15 槽橋合建推薦的結(jié)構(gòu)體系與輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)關(guān)系示意

4 槽橋合建結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流-固耦合效應(yīng)分析方法

槽橋合建結(jié)構(gòu)中，槽中水在極端荷載如地震作用下，產(chǎn)生的晃動和內(nèi)壁沖擊會對結(jié)構(gòu)的局部及整體都帶來很大的附加響應(yīng)，特別是當(dāng)水的流量或跨徑很大時，地震效應(yīng)使槽橋受損風(fēng)險大大增加。因此，在強(qiáng)震區(qū)大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需重點考慮內(nèi)部的流-固耦合效應(yīng)及抗震措施。當(dāng)前，槽內(nèi)水的流-固耦合效應(yīng)有兩種主要的計算方法：

（1）采用流體力學(xué)或離散單元方法單獨模擬水，槽身部分采用固體力學(xué)方法模擬為殼或?qū)嶓w單元［25］，這種計算方法可以精確描述槽身與水接觸部分承受的荷載效應(yīng)，特別是對混凝土結(jié)構(gòu)承受瞬時沖擊荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，對于潛在的開裂區(qū)域可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測；但與此同時，由于渡槽結(jié)構(gòu)屬于大型土木類結(jié)構(gòu)，其幾何尺寸大，大規(guī)模的流-固耦合計算加之固體結(jié)構(gòu)部分的彈塑性分析，這對計算設(shè)備要求很高，需要專業(yè)的服務(wù)器來運算；

（2）采用附加質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)來模擬流-固耦合效應(yīng)，典型模型如Housner模型［26］，這種方法是將水體理想的看做兩部分組成，一部分為產(chǎn)生沖擊效應(yīng)的水體，另一部分為產(chǎn)生晃動效應(yīng)的水體，兩種水體的荷載效應(yīng)構(gòu)成了流-固耦合效應(yīng)。這種方法具有物理意義簡單，易于土木結(jié)構(gòu)桿系分析的優(yōu)點，主要可計算流-固耦合效應(yīng)對渡槽結(jié)構(gòu)總體的力學(xué)響應(yīng)的影響。顯然，這種方法對于槽身局部的受力分析有局限性。

鑒于以上兩種分析方法的各自特點，在槽橋合建地震效應(yīng)分析中，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計可采用附加質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)計算，槽身局部沖擊效應(yīng)可采用流體力學(xué)方法模擬。

5 結(jié)論

本文對大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)分析和參數(shù)化計算，對槽橋合建結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵控制荷載效應(yīng)進(jìn)行了討論，并對成橋狀態(tài)進(jìn)行了評估，闡述了槽橋合建結(jié)構(gòu)的特點及控制性因素。主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)跨徑范圍在50~120 m時，推薦采用預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)或連續(xù)梁槽橋合建結(jié)構(gòu)。墩高較矮時宜優(yōu)先選擇連續(xù)梁，當(dāng)主墩高度或者相對剛度變化較大時，預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)中溫度效應(yīng)不利于矮墩受力；恒載對于預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)上部設(shè)計是控制荷載，因要保證水利合理的過水?dāng)嗝?，箱梁梁高設(shè)計方法與公路橋梁有顯著差別，優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)自重對結(jié)構(gòu)設(shè)計意義重大。

（2）上承式拱槽橋合建結(jié)構(gòu)推薦跨徑為120~250 m；根據(jù)輸水流量大小，拱肋可采用啞鈴型或桁式鋼管混凝土，經(jīng)過優(yōu)化的拱軸線形可滿足合建結(jié)構(gòu)的性能需求；上部槽身推薦采用簡支預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。當(dāng)跨徑超過250 m時，輸水管橋可采用斜拉索結(jié)構(gòu)與公路橋合建，鋼桁梁作為主梁具有剛度大，下層布置輸水橋面，上層布置公路交通橋面。采用鋼結(jié)構(gòu)主梁的大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)，由于水荷載和交通活載疊加，應(yīng)力幅比普通公路橋梁大，在節(jié)點等細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計時應(yīng)充分考慮。

（3）在槽橋合建結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時，可利用輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)對概念設(shè)計進(jìn)行比選優(yōu)化，輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)宏觀上反映了槽橋合建結(jié)構(gòu)的剛度。同時，基于輸水流量和槽橋跨徑的綜合考慮，本文提出了大跨度槽橋合建的結(jié)構(gòu)重要性及劃分標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、抗震計算中，推薦采用綜合性的重要性系數(shù)。槽橋合建結(jié)構(gòu)的功能定位為輸水為主、兼顧交通。基于這一原則，在一般正常情況下，輸水與交通功能均可同時運行；在特殊情況下，可采取限制交通，保障輸水的方案，保證槽橋合建結(jié)構(gòu)安全。