倒虹吸结构设计方案比较在白马门河渠道中的应用

樊功川

摘要：当渠道与道路或河沟高程接近，处于平面交叉时，需要修一建筑物，使水从路面或河沟下穿过，此建筑物通常叫做倒虹吸，本文结合南水北调中线工程白马门河渠道倒虹吸结构设计，对特大型倒虹吸的结构型式和受力性能进行了分析探讨。通过对目前较有代表性的三种结构计算方法的比较，找出了各种计算方法的优缺点，井推荐Sap84弹性地基梁法作为倒虹吸设计的首选计算方法。

关键词：倒虹吸；结构设计；白马门河渠道倒虹吸

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

当渠道与道路或河沟高程接近，处于平面交叉时，需要修一建筑物，使水从路面或河沟下穿过，此建筑物通常叫做倒虹吸。倒虹吸主要有竖井式。这种形式施工简便而且便于清除泥沙。倒虹吸有箱形和圆形两种。物理上水往高处走的现象是一种水利工程的技巧。倒虹吸，它是在渠道与道路、河流发生交叉或在渠道穿越山谷时经常采用的一种立交水工建筑物。早在2000多年前，中国已有成功的运用。与虹吸管一样，它在立面上也呈弓形；不同的是，其弓弯向上。而且，虽然倒虹吸管和虹吸管的输水原理相同，即都借助于上下游的水位差，但倒虹吸在开始工作时不需人为地制造管中的真空，因而更为普及。

本文主要针对南水北调中线工程白马门河水渠倒虹吸结构计算分别运用结构力学自由变形框架算法、Sap84弹性地基梁法和Supsap三维有限儿分析法三种方法，并且进行比较。

1结构计算方法

1.1结构力学自由变形框架算法

结构力学自由变形框架算法是将倒虹吸管视为坐落在地基上的自由变形框架结构进行计算的。地基反力简化为线性分布，用材料力学方法求得。

选用迭代计算法，计算时将倒虹吸结构简化为平面框架，沿倒虹吸管的纵向取lm长单宽，按平面问题计算内力，然后进行配筋和抗裂验算。

1.2Sap84弹性地基梁法

Sap84是专门为微型计算机开发的通用结构分析程序，其输入数据文件采用了自由格式。程序提供的图形显示输出功能、数据检查以及报错功能，以及在计算机上就可以实现的二维分析、平面分析、振动分析和动力分析等功能。结构计算时，沿倒虹吸管纵向取lm单宽，按平面问题进行计算。底板弹性链杆的刚度用地基的变形模量乘以每根弹簧支撑的面积来计算。

如果只进行内力计算而不进行配筋计算，则坐标轴的方向可以随意设置。在进行配筋计算时，程序会默认Z轴铅直向上，故必须在建立坐标系时将z轴建在竖轴上(X，Y，Z三轴按照右手法则进行排列)，否则配筋结果全错。

1.3Supsap三维有限儿分析法

Supsap是美国Algor软件公司研制的微机上使用的大型通用有限儿软件。

结构设计时首先是前处理部分，即画出计算模型和施加荷载及约束信息。基本数据取值如下：泊松比1/6，混凝土C25，剪切模量取1. 14*l06t/m2。约束信息中，地基仍然按弹性地基考虑，按地基和底板一起作用计算。将弹性链杆的刚度施加到底板和地基接触的各节点上，刚度计算方法同Sap84弹性地基梁法。

2工程概况

白马门河渠道倒虹吸位于焦作市中站区西南，北距焦（作）-博（爱）公路约1km，东临焦武路，进口渐变段起点桩号为总干渠Ⅳ31+399，出口渐变段终点桩号为总干渠Ⅳ31+735，建筑物总长336m，其中管身水平投影长200m。白马门河渠道倒虹吸由进口渐变段、进口检修闸、管身段、出口控制闸和出口渐变段组成。白马门河倒虹吸实行分期施工，一期工程主要进行管身段的开挖、混凝土浇筑和土石方回填施工；二期主要进行倒虹吸进口渐变段、进口闸室、出口闸室和出口渐变段的开挖、混凝土浇筑和土石方回填施工。

白马门河倒虹吸管身段:水平投影长200m。由进口斜管段、水平段和出口斜管段共13个仓组成，混凝土3.2万方，钢筋制安2391t。管身横向为4 孔箱形钢筋混凝土结构，每2 孔为一联，左右对称布置的箱型钢筋混凝土结构，单孔过水断面6.5m×6.7m（宽×高）。

3计算结果

3.1结构力学自由变形框架算法和Sap84弹性地基梁法比较

表1 结构力学自由变形框架算法和Sap84弹性地基梁法比较

3.2结构力学自由变形框架算法、Sap84弹性地基梁法和Supsap三维有限儿分析法比较

表2结构力学自由变形框架算法、Sap84弹性地基梁法和Supsap三维有限儿分析法比较

单位：kpa

3. 3成果分析

（1）由表1中的数据可以看出，两种计算方法的结果接近，最后的配筋成果都一样。对于底板来讲，弹性地基梁法考虑了底板与地基土的相互变形的影响，而迭代法将地基的反力简化成地基反力施加在底板上，对于结构的简化程度较大；对于整个结构而言，弹性地基梁法考虑了位移变形的影响，是利用有限单儿法计算的，与实际受力情沉更相符合。由于弹性地基梁法对结构本身进行了一定的优化，所以计算结果偏小，但是不影响最后的配筋成果。

（2）由表2可以看出，各杆的最大拉应力均小于抗裂允许的强度(C25号棍凝土为1900KN /m2)，应力分布规律也符合实际情沉。

三维分析中是按三维实体单儿建立的模型，综合考虑了各种力互相传递的影响，进行了优化组合，它的应力图形面积最小。但是按应力图形配筋的方法尚不成熟，规范中仅提供了几点参考性的建议，考虑到设计的安全性及需要模型试验对三维结构进行验证，工作量巨大，此阶段不予考虑。所以不采用此法。

传统的内力计算方法(结构力学自由变形框架算法Sap84弹性地基梁法）是取单宽按结构力学或杆系有限儿法进行的平面计算，没有充分考虑接点刚度和结构空间工作性能的影响，不能完全反映实际受力状沉，误差较大。但是对于深埋于地下的倒虹吸结构，简化成平面问题处理，计算误差也相对较小。从应力图形分析，Sap84弹性地基梁法拉应力图形面积介于迭代法与二维分析法之间，从计算难度来讲，迭代法要比弹性地基梁法复杂得多。

4结论

通过计算分析可见，利用Sap84弹性地基梁有限儿法对倒虹吸进行结构计算是可行的，计算成果的精度满足设计要求；且此法比其它方法计算起来方便得多，原始数据输入简单，不易出错，对于不同的计算方案可以任意进行组合计算。修改断面尺寸也比较方便，只修改数据文件即可。所以推荐Sap84弹性地基梁法作为倒虹吸结构设计的计算方法。根据此计算方法，对南沙河倒虹吸2孔、4孔、6孔方案进行了计算，推荐4孔方案作为最后的优选方案。

参考文献：

[1]余尚可，罗尚生，田文铎.倒虹吸管(第二版)[M].水力电力出版社，1999

[2]朱以文,顾伯达.微机有限兀前后处理系统及其应用[M].利学技术文献出版社，1993