高地震區(qū)高跨渡槽設(shè)計及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算分析

楊 濤，駱 震，佟 童

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650500)

0 前言

渡槽作為一種重要的水工建筑物，在灌溉、輸水、調(diào)水等優(yōu)化水資源配置工程中發(fā)揮著重要的作用[1]。目前國內(nèi)外已進(jìn)行了較多研究，主要集中在結(jié)構(gòu)選型、優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)抗震等幾個方面[2]。在云南山區(qū)，往往地震烈度高，溝箐窄深，輸水工程跨越溝箐經(jīng)常會遇到高跨渡槽建筑物。尤其在灌區(qū)水利工程中，類似渡槽建筑物往往成了骨干工程中關(guān)鍵的卡脖子節(jié)點(diǎn)工程。因其建設(shè)投資占骨干輸水工程建設(shè)投資的比重較大，合理的結(jié)構(gòu)型式不僅是工程安全運(yùn)行的保障，更是經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)。本文以賓川大型灌區(qū)中小廟箐渡槽為例，按照橋梁設(shè)計理論進(jìn)行方案設(shè)計及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有限元分析，從而得到合理安全的渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計，以期為高地震區(qū)高跨渡槽設(shè)計提供參考。

1 工程地質(zhì)

1.1 地形地質(zhì)條件

小廟箐渡槽位于大理州賓川縣賓川灌區(qū)大銀甸水庫輸水渠上，是輸水渠上最大的一座節(jié)點(diǎn)工程。渡槽設(shè)計過水流量6.5m3/s，渡槽槽身總跨度105m，最大高度36m。

渡槽橫跨小廟箐溝，沖溝寬110～120m，兩岸地形呈窄深“V”形，山坡陡峭，呈基本對稱狀，不良物理地質(zhì)象不發(fā)育。谷底分布第四系坡洪積層卵礫石、礫質(zhì)土；厚度小于3m；兩岸坡表分布有第四系殘坡積層含礫粉質(zhì)粘土、粉土質(zhì)礫，厚度1～2m。下伏三疊系上統(tǒng)白土田組石英砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，強(qiáng)風(fēng)化層厚9～11m，允許承載力500～800kPa，巖層產(chǎn)狀55°NW∠24°。地質(zhì)構(gòu)造為單斜構(gòu)造，巖層發(fā)育有Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面。地下水主要為風(fēng)化裂隙水，溝底地下水位0.3m[3]。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

工程位于大理洱海東部，賓川盆地及其鄰近一帶，受構(gòu)造影響與控制，主要山脈、河流及盆地均呈南北向展布，地勢由南向北逐漸降低。按地貌成因，結(jié)合該區(qū)塑造地貌的構(gòu)造應(yīng)力、地表作用力、巖性等特征，工程區(qū)可分為構(gòu)造侵蝕剝蝕地貌、斷陷盆地地貌、低山丘陵地貌及溶蝕地貌4種類型。

工程處于中甸-大理地震帶，地震主要受紅河深大斷裂與程海-賓川斷裂發(fā)震構(gòu)造的影響與控制。根據(jù)GB 18306—2015《1/400萬中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[4]，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45s，對應(yīng)地震基本烈度Ⅷ度。

2 渡槽設(shè)計

小廟箐渡槽設(shè)計為簡支梁式渡槽，全長149.79m，由進(jìn)口引渠段、槽身段和出口連接渠段組成。

其中進(jìn)口引渠段全長26.12m，渠道橫斷面形式為矩形，設(shè)計底寬2.3m，渠深1.85m，設(shè)計縱坡1/500，轉(zhuǎn)彎半徑為12m，結(jié)構(gòu)型式采用C20素混凝土，底板及邊墻厚度均為30cm，頂面采用15cm厚預(yù)制鋼筋混凝土蓋板。

槽身段總長105m，共計7跨，每跨15m，設(shè)計縱坡1/500，渡槽槽身為現(xiàn)澆C30、W6二級配鋼筋砼矩形斷面結(jié)構(gòu)，過水?dāng)嗝鎯魧挕粮邽?.3m×1.8m，外輪廓尺寸寬×高為3.3m×2.6m。為增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，在槽身頂部間隔2.5m設(shè)置一拉桿，槽身頂部設(shè)置蓋板。梁式渡槽的支承墩、架有重力式槽墩、鋼筋混凝土槽架、混合式墩架和樁柱式槽架等形式[5]，根據(jù)地形情況，小廟箐渡槽槽身距底部河床高度13～36m，設(shè)計槽身支承墩采用重力墩形式，其中1#和6#槽墩高度小于15m，采用實(shí)心重力式槽墩，順槽向、橫槽向坡比為40∶1；2#—5#槽墩高度>15m，采用空心重力式槽墩，順槽向、橫槽向外坡坡比為40∶1，順槽向、橫槽向內(nèi)坡坡比為80∶1；槽墩基礎(chǔ)均采用直徑1m的灌注樁群，樁頂澆筑蓋梁與槽墩銜接，槽墩、承臺、灌注樁均為現(xiàn)澆C35、W6二級配鋼筋砼。每跨渡槽設(shè)伸縮縫1道，縫寬4cm，采用P651型止水橡皮止水，閉孔泡沫板填料填縫，臨水面設(shè)5cm雙組份聚硫密封膠閉口。考慮項(xiàng)目區(qū)處于高地震區(qū)，減震支座是通過自身剪切變形延長結(jié)構(gòu)周期、增加結(jié)構(gòu)阻尼，從而消耗地震能量，有效減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的裝置，被廣泛運(yùn)用于橋梁結(jié)構(gòu)中[6]，因此設(shè)計參考JGT/T 1302—01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》[7]支座采用普通盆式橡膠支座。

出口連接渠段全長18.67m，渠道橫斷面形式為矩形，設(shè)計底寬2.3m，渠深1.85m，設(shè)計縱坡1/500，轉(zhuǎn)彎半徑12m，結(jié)構(gòu)型式采用C20素混凝土，底板及邊墻厚度均為30cm，頂面采用15cm厚預(yù)制鋼筋混凝土蓋板。

渡槽結(jié)構(gòu)縱橫剖面圖如圖1所示。

圖1 渡槽縱橫剖面圖

3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算分析

3.1 模型建立

Midas Civil是一款基于計算機(jī)處理和分析技術(shù)的空間有限元分析軟件，主要應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，設(shè)計采用基于MIDAS CIVIL軟件的三維有限元，對渡槽參照橋梁結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析。根據(jù)許新勇等[8]將有限元軟件ABAQUS與MAT-LAB程序結(jié)合，并通過引入混凝土塑性損傷本構(gòu)模型進(jìn)行建模計算。將渡槽設(shè)計的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分槽身、槽墩和樁基結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型。槽身簡支梁結(jié)構(gòu)取中間跨進(jìn)行建模計算，槽身有限元模型共有節(jié)點(diǎn)55173個，單元32986個，網(wǎng)格尺寸為240mm。槽墩采用5484個四面體單元，網(wǎng)格尺寸為800mm。

根據(jù)地質(zhì)資料、擬建渡槽結(jié)構(gòu)方案，并結(jié)合類似項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，確定相應(yīng)的巖土參數(shù)及材料參數(shù)，模型各結(jié)構(gòu)設(shè)計材料力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 力學(xué)參數(shù)取值

3.2 主要計算結(jié)果

3.2.1槽身

經(jīng)計算分析，槽身整體豎向位移0.9155mm，小于容許最大撓度，說明槽身具有足夠的剛度。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在跨中側(cè)板底部肋板旁，為1.492MPa，略大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。需要配置一定的鋼筋減少裂縫寬度，提高局部抗拉強(qiáng)度。最大正應(yīng)力及最大豎向位移均出現(xiàn)在槽身跨中區(qū)域，如圖2—3所示。

圖2 槽身豎向位移云圖

圖3 槽身豎向正應(yīng)力云圖

槽身橫向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板中心底部，為0.425MPa。如圖4所示。

圖4 槽身正應(yīng)力云圖[9]

槽身內(nèi)力及配筋計算結(jié)果如下：

工況1：空槽(自重)。在渡槽未充水時，僅有自重作用，渡槽縱向跨中最大彎矩3210.2kN·m，兩端最大剪力906.83kN。橫向側(cè)墻端部最大彎矩-16.5kN·m，底板端部彎矩-14.0kN·m，跨中彎矩13.6kN·m；側(cè)墻剪力9.0kN，底板剪力43.6kN。

工況2：自重+設(shè)計水位。渡槽過設(shè)計水深1.70m時，縱向跨中最大彎矩3881.2kN·m，兩端最大剪力1096.4kN。橫向側(cè)墻端部最大彎矩-20.4kN·m，底板端部彎矩-20.1kN·m，跨中彎矩18.3kN·m；側(cè)墻剪力16.2kN，底板剪力59.0kN。

工況3：設(shè)計水位+地震。渡槽過設(shè)計水深1.70m時，遇8度地震，縱向跨中最大彎矩3865.5kN·m，兩端最大剪力1091.9kN。橫向側(cè)墻端部最大彎矩-39.3kN·m，底板端部彎矩-38.9kN·m，跨中彎矩23.6kN·m；側(cè)墻剪力31.0kN，底板剪力82.9kN。

按最不利工況計算槽身縱向受彎鋼筋A(yù)s=5946.4mm2。槽身橫向底板跨中截面受彎鋼筋A(yù)s=187.97mm2，支座截面受彎鋼筋A(yù)s=310.32mm2均小于ρmin，按最小配筋率配筋A(yù)s=2010mm2；側(cè)墻橫向跨中受彎鋼筋A(yù)s=417.22mm2<ρmin，按最小配筋率配筋A(yù)s=1515mm2，抗剪鋼筋均按構(gòu)造配置。

3.2.2槽墩

模型以高度最大的3#槽墩進(jìn)行分析，選擇偶然組合中的地震工況(最不利)施工加荷載，全局施加重力加速度，對于槽墩整體分析結(jié)果：對荷載公共初步分析，槽墩受到附加彎矩和橫向荷載，應(yīng)力主要為豎向拉壓應(yīng)力，位移主要為平行與橫向荷載的方向，根據(jù)位移云圖可知，最大位移發(fā)生在槽墩頂部，且位移延槽墩向下遞減，在地震工況下將槽墩簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計算，橫槽向最大位移6.34mm，與槽墩計算長度相比橫向位移值較小，重力式槽墩剛度較高；根據(jù)槽墩應(yīng)力云圖可知，槽墩呈現(xiàn)受力側(cè)拉，另一側(cè)受壓的狀態(tài)，其中受拉區(qū)集中在槽墩下部與承臺相接的外表面，最大值為0.284MPa，受壓區(qū)最大值為1.713MPa，均未超過混凝土軸線抗拉抗壓設(shè)計強(qiáng)度，如圖5—6所示。

圖5 槽墩豎向正應(yīng)力云圖

圖6 槽墩Y向位移云圖

根據(jù)豎向應(yīng)力云圖知，空心墩外側(cè)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，應(yīng)力值較小為0.159MPa。實(shí)心墩部分的應(yīng)力集中主要在內(nèi)部，外部主要受壓應(yīng)力，如圖7—8所示，可直接根據(jù)構(gòu)造配筋即可。

圖7 實(shí)心墩截面豎向應(yīng)力云圖

圖8 空心墩截面豎向應(yīng)力云圖

設(shè)計采用Midas Civil和CDN根據(jù)橋梁設(shè)計規(guī)范對3#槽墩進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，正常使用階段裂縫寬度驗(yàn)算，并提取墩身0m(實(shí)心截面頂部)、3m(空心變截面頂部)、16m(空心變截面中部)、29m(空心變截面頂部)典型截面計算，其最不利工況下計算結(jié)果見表2，槽墩各部位配筋見表3。

表2 槽墩最不利工況內(nèi)力計算結(jié)果

表3 槽墩配筋表

設(shè)計對各截面分別進(jìn)行了使用階段正截面軸心抗壓承載能力驗(yàn)算、偏心受壓驗(yàn)算、水平最大彎矩最大及最小時的偏心受壓驗(yàn)算、豎向最大及最小彎矩時的偏心受壓驗(yàn)算等，均能滿足規(guī)范要求。

3.2.3樁基

樁基包括承臺和混凝土灌注樁，是承受槽身、槽墩荷載的主要結(jié)構(gòu)。3#墩承臺設(shè)計為長×寬×高為5m×8m×2m的混凝土結(jié)構(gòu)，底部為2排、6根D1000的混凝土灌注樁。根據(jù)計算，在槽墩與承臺接觸面存在一定的應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為0.89MPa，在配筋時需加強(qiáng)分析。樁基最大拉應(yīng)力-7.93MPa，最大壓應(yīng)力1.56MPa，均出現(xiàn)在樁頂，在配筋時需加強(qiáng)分析。經(jīng)計算，承臺與樁均按照結(jié)構(gòu)配筋可滿足要求。

承臺及樁基礎(chǔ)有限元分析豎向應(yīng)力云圖如圖9—10所示。

圖9 承臺豎向應(yīng)力云圖

圖10 樁基豎向應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

本文以高地震區(qū)高跨度的小廟箐渡槽為例，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過三維有限元分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

(1)高地震區(qū)高跨度渡槽的設(shè)計關(guān)鍵為槽墩結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在三維有限元分析計算時采用橋梁設(shè)計中橋墩計算理論可解決模型邊界條件問題，選擇安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(2)對于高地震區(qū)大高度重力墩，實(shí)心墩的應(yīng)力集中區(qū)主要在墩內(nèi)側(cè)，而空心墩的應(yīng)力集中主要發(fā)生在墩外側(cè)。槽墩其最大位移出現(xiàn)在墩頂部位，但遠(yuǎn)小于重力墩最大剛度；豎向軸力沿高度從高往下逐步減小，其墩體的配筋亦可逐步減小。

(3)對空心重力槽墩+樁基礎(chǔ)的組合結(jié)構(gòu)，其中間承臺是上下結(jié)合傳力的主要結(jié)構(gòu)，在最不利工況地震作用下表面和底面均會有應(yīng)力集中現(xiàn)象，設(shè)計時需進(jìn)行加強(qiáng)控制。