南水北调预应力排水渡槽结构静力分析

王 磊

(黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450000)

南水北调预应力排水渡槽结构静力分析

王 磊

(黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450000)

南水北调中线工程中需要建设大量预应力排水渡槽。本文采用有限元分析方法针对南水北调大型预应力排水渡槽在各种受力状况下结构的静力状况进行分析，从而为类似工程在运行或施工期间槽身断面受力研究和结构优化等问题提供一定的参考。

渡槽;预应力;设计方案;有限元;南水北调

南水北调中线工程规划左岸排水工程有大量预应力排水渡槽。但是因为北方气候以及河流的特点，河道处于枯水状态，因此渡槽大量时间处于无水状态;但在洪水期，渡槽出现过流变化大、时间短且夹带大量泥沙情况，所以渡槽使用状态与一般输水渡槽情况存在较大差异。

本文研究的对象是南水北调中线工程黄河北段上的一座东西方向的预应力排水渡槽，此处排水渡槽单幅跨度约22.56m，为6.5m×5.36m矩形断面结构，受力边梁和受力中梁均为1.2m×1.5m，渡槽底板厚0.4m，受力边墙厚0.5m，受力中墙厚0.6m。

槽身单跨22.56m，过水断面2孔6.5m×5.36m，边、中纵梁厚度为0.9m、1.0m，边、中竖墙和底板厚度分别为0.5m、0.6m、0.4m。

1 基本情况

在出现极限状态下该渡槽结构的受力状况分析如下。

1.1 设计条件下系数取值

该排水渡槽为Ⅰ级建筑物，渡槽结构重要性系数取值为1.1，整体为结构Ⅰ级安全等级。渡槽槽身自重系数取值为1.05(γG)，校核水荷载系数取值为1.2(γG)，设计满槽洪水可控可变荷载状况下系数取值为1.10(γG)。

在空槽情况下，设计状况认为持久状况，系数取值为1.0(φ);在校核满水状况下，设计状况认为短暂状况，系数取值为0.95(φ);在校核满水状况下，设计状况认为偶然状况，系数取值为0.85(φ)。

1.2 裂缝控制情况

按照设计规范相关要求，渡槽槽身不允许出现裂缝，在计算过程中一般分为短期和长期两种荷载效应组合情况;另外，在计算过程中拉应力可以出现在计算对象的边界部位，但是该区域所受拉应力不能大于相应规范所要求的范围。

1.3 钢筋张拉情况

钢筋张拉情况见图1。

图1 钢筋张拉情况示意图

2 计算条件

整体式计算模型将钢筋和混凝土综合为一种材料，它的弹性矩阵为：

具体表达式为：

对于等效的分布钢筋，其应力应变关系矩阵[ Ds]可按下式计算：

式中 Es为钢筋的弹性模量;ρx、ρy和ρz分别为沿x、y和z方向的配筋率。

式中——钢筋混凝土折算弹性模量;

EC——混凝土弹性模量;

ES——钢筋弹性模量;

μ——配筋率。

3 应力分析

3.1 纵向应力分析

由分析可知，渡槽结构应力较为集中的部位主要为锚固和支座区域，受压区域主要为边墙和中墙部分。通过计算可知，渡槽跨中下表面混凝土纵向压应力最大值为：边墙：－0.48MPa;中墙：－0.19MPa;最小值为：边墙：－0.44MPa;中墙：－0.11MPa;平均值为：边墙：－0.46MPa;中墙：－0.15MPa;表明渡槽跨中下表面混凝土纵向压应力边墙略小于中墙(见图2)。

图2 纵梁下表面混凝土纵向应力 单位：MPa

渡槽跨中上表面混凝土存在纵向拉应力和纵向压应力;纵向拉应力存在于边墙和中墙两端小区域，最大值为：边墙0.27MPa，中墙0.32MPa;纵向压应力最大值为：中墙：－2.96MPa;边墙：－1.88MPa;最小值为：中墙：－2.56MPa;边墙：－1.56MPa;平均值为：中墙：－2.76MPa;边墙：－1.32MPa;表明渡槽跨中上表面混凝土纵向压应力中墙大于边墙(见图3)。

图3 纵梁上表面混凝土纵向应力 单位：MPa

通过计算，渡槽跨中上、下表面混凝土纵向压应力情况最大值分别为－1.25MPa、－0.78MPa(见图4)，渡槽跨中上表面混凝土纵向压应力大于渡槽跨中下表面混凝土纵向压应力，所以在外水荷载作用情况下，渡槽跨中上表面混凝土纵向压应力和渡槽跨中下表面混凝土纵向压应力对边墙纵向拉应力的影响在计算过程中可忽略;而在设计水位情况下，渡槽底板以及边、中墙的计算均可按照中到中的长度计算。

图4 底板跨中上、下表面混凝土纵向应力 单位：MPa

3.2 横向应力分析

在设计条件下，结构拉应力主要集中在锚固及支座部位，经计算得知以上区域拉应力最大为0.97MPa。在工程施工过程中，由于张拉的作用，渡槽底板拉应力处于不断变化中，最后稳定状态下横向压应力为－0.96MPa(见图5)。

图5 上表面混凝土横向应力 单位：MPa

横梁下表面混凝土在各梁跨中区域存在较大横向拉应力，从横梁1到横梁5跨中拉应力依次增大，横梁5跨中最大拉应力为2.46MPa，小于混凝土的设计抗拉强度(见图6)。

3.3 竖向应力分析

排除渡槽预应力钢绞线锚固部位及支座位置处的应力集中，渡槽竖墙竖向拉应力很小，均不超过1.28MPa，所以，渡槽竖向受力合理(见图7)。

图6 下表面中线混凝土横向应力 单位：MPa

图7 渡槽侧墙迎水面混凝土横向应力 单位：MPa

3.4 变形分析

渡槽在设计水位下最大竖向位移发生在中墙底部，边墙要略小于中墙。横梁的最大竖向位移发生在横梁的横向跨中处，从横梁1到横梁5同一纵向位置竖向位移越来越大，最大值发生在横梁5跨中处(见图8)。

图8 渡槽纵梁下表面竖向位移 单位：m

设计水位下预应力排水渡槽三维有限元数值分析表明，排除渡槽预应力钢筋锚固部位及支座位置小区域范围的应力集中外，渡槽结构应力和变形均满足设计要求。局部应力集中可通过适当的构造措施予以控制或减弱。

4 结语

在设计条件下，渡槽边墙上表面混凝土纵向压应力和渡槽边墙下表面混凝土纵向压应力以及渡槽中墙上表面混凝土纵向压应力和渡槽中墙下表面混凝土纵向压应力在计算过程中未发生变化，对边墙纵向拉应力的影响在计算过程中可忽略;另外，伴随着横梁结构中高度的变化，渡槽底板上表面混凝土横向压应力和渡槽底板下表面混凝土横向压应力均相应增加，通过比较，上表面增加幅度大于下表面增加幅度，其他区域未发生变化;同样，渡槽底板上表面混凝土竖向压应力和渡槽底板下表面混凝土竖向压应力均相应增加，通过比较，上表面增加幅度大于下表面增加幅度，其他区域未发生变化;所以，渡槽结构中纵向拉应力和竖向拉应力会随着横梁高度的变化而产生一定的变化，尽管影响很小，但是对于渡槽结构纵梁的变形会有较大的影响。

1 DL 5077—1997水工建筑物荷载设计规范［S］．

2 SL/T 191—96水工混凝土结构设计规范［S］．

3 孙明权．双泊河渡槽矩形梁式方案槽身应力分析研究［J］．人民黄河，1999，21(9)．

4 朱伯芳．有限单元法原理与应用［M］．第二版．北京：中国水利水电出版社，1998．

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

Structure Static Analysis of Pre-stressed Drainage Aqueduct in South-to-North Water Transfer Project

WANG Lei
(Yellow River Engineering Consulting Co．，Ltd．，Zhengzhou450000，China)

A large number of pre-stressed drainage aqueducts should be constructed in mid-line project of South-to-North Water Transfer Project．In this paper，finite element analysis method is adopted for analyzing the structure static conditions of large-scale pre-stressed drainage aqueducts in South-to-North Water Transfer Project under various stress conditions thereby providing certain reference for aqueduct cross section stress study，structure optimization and other problems of similar projects during operation or construction period．

aqueduct;pre-stressed;design scheme;finite element;South-to-North Water Transfer

TV65

B

1005-4774(2013)08-0032-04