大型渡槽三向预应力槽身结构设计

胡朝晖 郭春雷

渡槽是输送渠道水流跨越河渠、道路、山林、谷口等的架空输水建筑物,是渠系建筑物中应用最广泛的交叉建筑物之一,渡槽除在灌区用于输送渠水进行农田灌溉外,还用于输送城镇生活用水、工业用水。半个多世纪以来,特别是20世纪80年代以后,随着农业、工业及生活用水的不断增长的需要,渡槽在过水流量、结构型式、施工方法等方面不断得到发展,输水能力由几立方米流量发展到上百立方米流量。

南水北调中线工程属特大型跨流域调水工程,它将丹江口水库的库水引出,通过湖北、河南、河北向京津地区自流式输水。由于南水北调中线工程总干渠为自流输水,水头紧张,可以分配给各座渡槽的水头损失较小,因而槽身过水断面很大,不少渡槽水面总宽在25m以上,水深大于5 m,水荷载特别巨大。由于工程的重要性及工程规模的庞大,采用常规钢筋混凝土结构不但不易解决槽身结构防渗抗裂的问题,还将造成槽身结构的槽壁与底板等很厚,大大增加自重,引起上部结构以及下部结构工程量的大大增加,而使工程很不经济合理。因此,为了达到增加渡槽跨度并减小槽身结构尺寸的目的,槽身结构采用三向预应力混凝土结构体系,利用预应力施工技术,充分发挥材料的性能,在满足材料强度及结构使用条件的前提下,可有效地减薄底板及侧墙的厚度,从而使工程经济合理。

1 典型工程的选取

南水北调中线大型渡槽分布在河南、河北省境内,每座渡槽的过流流量、槽址处的水文及气象资料、地质情况等均不相同。为了有针对性的研究问题,选择牛河南支渡槽作为本次研究的典型工程。

牛河南支渡槽位于邯郸市西部太行山东麓,是滏阳河上游主要支流之一,牛河南支渡槽渠道设计流量为235 m3/s,加大流量265 m3/s。

2 槽身结构布置

为研究渡槽在不同跨度下的计算情况,槽身按30 m跨及35 m跨两种跨度进行结构计算,混凝土强度等级采用C50。

30 m跨槽身横向断面为3槽一联矩形槽多侧墙结构,槽孔净宽7 m×3槽,槽身底轮廓总宽为24.3 m。槽内设计水深6.0 m,加大水深6.366 m。槽身内墙高(底板以上)6.8 m,底板以下梁高跨中1.5 m,跨端2.3 m,侧墙总高跨中8.3 m,跨端9.1 m。底板以上墙宽0.7 m(中墙)、0.6 m(边墙)。底板以下墙宽1.5 m(中墙)、1.3 m(边墙)；墙顶设翼缘板,中墙板宽3.0 m,边墙板宽2.7 m。底板厚跨中0.40 m,梁端0.50 m。底板下设横梁,跨中断面为0.7 m×0.4 m(高×宽),支座处断面为1.4m×1.0 m(高×宽)；墙顶设拉杆,断面为0.5 m×0.35 m(高×宽),沿纵向间距均为2.5 m。

35 m跨槽身渡槽横断面构造基本与30 m跨结构相同,为使渡槽底肋上缘钢束锚固端局部承压满足要求,将边墙外侧下马蹄形截面加高10 cm,并将底板横肋宽度由40 cm增加到52 cm,间距由原设计2.50m改为3.10 m,同时将渡槽上缘拉杆间距由2.5 m改为3.1m。槽身横断面型式见图1。

3 槽身预应力筋的布置

30 m跨与35 m跨槽身纵、横向预应力筋采用1860级钢绞线,抗拉强度值为1 860 MPa,张拉控制应力采用1 302MPa。由于槽身断面大,且水深较深,因此槽身的纵向、横向及竖向均考虑预应力结构。根据相应结构部位的受力要求,边墙底部纵向预应力筋配置12束7 Φ j15.2钢绞线,为斜截面抗剪需要边墙端部弯起3束(30 m跨)或4束 (35m跨),边墙顶部纵向预应力筋配置3束7 Φ j15.2钢绞线,中墙底部纵向预应力筋配置15束9Φ j15.2钢绞线,为斜截面抗剪需要中墙端部弯起3束(30 m跨)或5束(35 m跨),中墙顶部纵向预应力筋配置3束7Φ j15.2钢绞线,底板纵向预应力筋每间隔1m布置1束5Φ j15.2钢绞线。竖向预应力筋一方面承受由于水压力对侧墙产生的弯矩所造成的拉应力,另一方面可以提高截面的抗剪能力。由于其长度较短,采用精轧高强螺纹粗钢筋锚固体系进行计算,它具有预应力损失小,锚固简单,安全可靠及施工方便等优点。根据结构受力需要采用 Φ 32的精轧螺纹钢筋,边墙外侧布置 Φ 32@400 mm精轧螺纹钢筋,边墙内侧及中墙两侧均匀布置 Φ 32@300 mm精轧螺纹钢筋。预应力筋总体布置图见2(图为35 m跨预应力筋布置,30 m跨端部弯起筋数量不同)。

图2 预应力筋总体布置图(单位:mm)

4 槽身结构计算

槽身结构计算首先采用结构力学方法,将槽身分为纵向和横向,分别按平面力系假定进行内力计算。①纵向承重:在考虑变形协调的影响后,边梁简化为承担其自重和半槽水重荷载的不对称的I型简支梁,中梁简化为承担其自重和整槽水重荷载的对称的I型简支梁；②纵向底板简化为以底部横梁为支撑的承受板自重和槽内水重的多跨连续板；③横向按平面刚构计算,底板简化为以底肋为腹板,渡槽底板为翼缘的T型梁、顶部拉杆,横向计算以横梁间距为计算单元。

计算荷载包括自重、水压力(计算分别按两边槽过水、中槽过水、三槽过水3种工况进行)、温升、温降以及风荷载等。渡槽迎水面的侧墙和底板按严格不出现裂缝设计(即不出现拉应力),其余按一般不出现裂缝(即允许出现在限制拉应力系数下的拉应力)设计。槽身纵向边、中梁主拉、压应力、纵向底板上下缘应力及横向主拉、压应力计算结果详见表1～3(表中只列举35 m跨的计算结果,30 m跨计算结果略小)。

通过计算,渡槽槽身纵、横向结构均能满足承载能力极限状态及正常使用极限状态要求。

表1 边、中梁主拉、压应力验算结果表

表2 横向底板上下缘应力计算结果表MPa

表3 横向侧墙及底板主拉、压应力验算结果表

由于此渡槽槽身断面大且复杂,采用简化的结构力学平面力系的计算方法对于中小型渡槽经过工程实践检验是可靠的,但对于南水北调中线渡槽这样的体形尺寸和规模,尚无工程实例验证资料,因此须再采用三维有限元计算程序对其进行模拟计算,来验证采用上述结构力学方法进行分析的计算结果。经过三维有限元模拟计算,计算结果均能满足要求。

5 结 语

为了使南水北调中线大型渡槽工程适应大跨度的需要,并且尽量地减小槽身结构尺寸,槽身结构应采用预应力混凝土结构体系,利用预应力施工技术,充分发挥材料的性能,使工程经济合理。