钢筋混凝土竖井式倒虹吸工程结构分析

姬栋宇

（1.郑州大学 土木工程学院，郑州 450002；2.湖南城建职业技术学院 土木工程系，湖南 湘潭 411101）

1 工程概况

铁路桥倒虹吸工程位于辽宁省复县松树水库干渠上，管道穿越长春—大连铁路桥北孔中心处，并与铁路桥正交，进出口为钢筋混凝土竖井，并与石拱渡槽相接。该倒虹吸设计流量8m3/s，设计水头10.6m，最大水头12.5m，水头损失0.4m，流速1.51m/s。 倒虹吸管内径2.6m， 壁厚0.22m， 糙率0.017， 全长83.80m。倒虹吸管混凝土强度等级为C20，全管共有3条伸缩缝，即管身与进出口竖井连接处各1条，水平管中部1条。

2 结构

2.1 模型参数

铁路桥倒虹吸管采用的混凝土强度等级为C20，弹性模量E1为25.5GPa，泊松比μ1为0.167，容重γ1为24kN/m3。 混凝土底部设有垫层，垫层的混凝土强度等级为C15，弹性模量E2为22GPa，泊松比为μ20.167［1］。 钢筋强度等级为Ⅱ级，弹性模量Es为200GPa，泊松比μs为0.28。

2.2 单元划分

钢筋混凝土竖井、倒虹吸管、垫层及覆土模型采用8节点等参块体单元模拟，该单元每个节点具有3个平动自由度，常应用于分析实体结构的三维模型中［2］。该计算模型模拟了整个倒虹吸管从进口到出口部分，模型长度为55m，钢筋混凝土竖井高14.4m，垫层厚度为0.6m。竖井式倒虹吸结构单元划分如图1所示。

2.3 计算工况

根据铁路桥倒虹吸工程在施工和运营过程中的受力特点，结构分析主要考虑了3种计算工况［4］：工况1，倒虹吸管自重（施工工况）；工况2，结构自重＋最小水头10.6m（运营工况）；工况3，结构自重＋设计水头12.5m（运营工况）。

3 结果分析

3.1 路径

铁路桥倒虹吸管以中间断面开始，每隔4.0m选取1个关键点，沿着水流方向在倒虹吸管内表面确定了3条计算路径，用以分析该倒虹吸结构的应力和变形。路径1，倒虹吸管顶；路径2，倒虹吸管腰；路径3，倒虹吸管底。

3.2 应力

铁路桥倒虹吸工程在各个工况下分析路径关键点上的环向应力的分布情况如表1所示。

表1 各个工况下分析路径关键点上的环向应力 单位：MPa

从表1可以看出，在工况1下倒虹吸管的环向应力值较小，路径2的环向应力为压应力，这主要是由于在自重作用下，倒虹吸管腰处受压，管顶和管底处受拉，因此路径1、3为环向拉应力，而路径2为环向压应力。工况2、3下，倒虹吸管为环向拉应力，并且随着水位的增加，其环向拉应力也在增加，各工况下关键点⑧上的环向应力值稍大，主要关键点⑧是倒虹吸管和竖井的交界点，在此处产生了应力集中现象，导致其环向应力值稍大。在各个工况下，倒虹吸管的管顶和管底环向应力大于管腰处的环向应力，主要原因是结构自重所产生的作用。

由于倒虹吸管和竖井的交界处应力值较大，下面给出了工况3下倒虹吸管和竖井的交界处的环向、轴向应力等值线图，如图2、3所示。

从图2、3可以看出，在倒虹吸管和竖井的交界处的环向、轴向应力值较大，分布较为复杂。特别是在管顶处，其最大环向拉应力已经达到了1.35MPa，这主要是在交界处产生了应力集中现象所导致的结果。但倒虹吸管的轴向应力值远小于其环向应力值，最大轴向应力值仅为0.201MPa。

3.3 变形

由于在整个运营过程中工况3水压力最大，并且是设计工况，下面给出倒虹吸结构的总位移云图，如图4所示。

从图4可以看出，倒虹吸结构的最大位移出现在竖井顶端，其最大位移为0.126mm，位移基本上呈层状分布，这是因为倒虹吸结构的位移主要是由于结构的自重所引起的基础沉降，也就是说倒虹吸管发生了整体向下位移的情况。

4 结语

综上所述，铁路桥倒虹吸结构整体的应力和变形都较小，能够满足强度和刚度要求，该设计方案经济合理、安全可靠。

［1］SL/T191—96，水工混凝土结构设计规范［S］.

［2］王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法（第二版）［M］.北京：清华大学出版社，1997.

［3］李惠英，田文铎，阎海新.倒虹吸管［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.