大跨度预应力渡槽盆式支座与刚性连接结构对比分析

郝亚婵

(山西省水利水电勘测设计研究院， 山西 太原　030024)



大跨度预应力渡槽盆式支座与刚性连接结构对比分析

郝亚婵

(山西省水利水电勘测设计研究院， 山西 太原030024)

随着施工技术的发展、施工方法的进步，许多在铁路、公路中常用的大跨度预应力建筑物施工方法在水利工程中开始应用，同时由于跨度的增加，不同的支座形式对大跨度渡槽体型和结构影响很大，本文就桥头渡槽采用盆式支座与刚性连接对渡槽结构的影响进行分析，针对不同荷载进行了对比研究，根据其优缺点，确定采用盆式支座。

渡槽； 盆式支座； 刚性连接； 荷载

1　概　况

桥头渡槽位于山西省保德县桥头镇境内，为山西省中部引黄工程总干线1号和2号隧洞之间跨朱家川河的建筑物，槽身由5跨预应力混凝土连续箱梁[1]构成，槽跨布置为30+3×45+30=195m，设计纵坡1/2500，设计流量23.05m3/s，设计水深3.26m，最大墩高54.40m。上部构造为内部等截面(在支点及渐变段采用外侧变截面)预应力混凝土连续箱槽，槽跨195m，采用单箱单室断面，内部尺寸为4.20m×4.20m；跨中梁高5.20m，墩顶位置梁高6.70m。腹板厚度70cm，底板厚50～200cm，顶板厚50cm，渡槽高度、底板厚度按线性变化。槽墩共有4个，墩高7.5～54.4m。槽墩采用7.2m×3.5m的钢筋混凝土矩形墩, 下接3.5m厚承台，基础为D1.8m钢筋混凝土钻孔灌注桩，渡槽主梁采用C50混凝土(抗渗等级为W6，抗冻等级F200)，添加8%抗裂防水剂；槽墩、盖梁采用C35混凝土(抗冻等级F200)，桩基、承台采用C30混凝土(抗冻等级F200)。

目前国内对于大跨度预应力渡槽多采用满堂支架法[2]和移动模架[3]施工，但由于桥头渡槽受地形条件所限，且槽墩较高，因此采用挂篮悬臂法施工[4]，此种方法，国内铁路、公路行业采用较多，且跨度越来越大，但水利行业较少见[5]。

2　不同荷载作用下两种支座的分析

计算分析采用ABAQUS软件，对梁和墩设定相应的连接条件，实现刚性连接和盆式支座结构型式的模拟。分析采用线弹性有限元法，计算范围为地基及承台以上所有结构体，有限元分析网格见图1。渡槽主梁采用C50混凝土；槽墩、盖梁采用C35混凝土；桩基、承台采用C30混凝土。钢绞线采用高强度钢丝。

分别计算不同荷载包括竖向荷载(以水重为例)、横向荷载(风荷载)、温度荷载、地震荷载作用下的结构响应，在此基础上对2号、3号墩与槽身不同连接型式对渡槽变形和应力的影响进行对比分析。

图1　计算模型简图

2.1竖向荷载的敏感性

渡槽所有的竖向荷载包括自重、水重、雪荷载等。分析计算以水重为例，设计水深3.26m，按均布荷载作用，分析2号和3号墩盆式支座与槽身刚性连接对结构应力的影响，结果见图2和图3。

图2　设计水重引起的渡槽轴向应力(单位：MPa)(盆式支座)

图3　设计水重情况下的渡槽轴向应力(单位：MPa)(2号、3号墩刚性连接)

可以看出，与采用盆式支座相比，采用刚性连接时槽身最大轴向应力从0.73MPa下降到0.69MPa，表明刚性连接对降低竖向荷载引起的渡槽应力作用不明显。

2.2对风荷载的敏感性

风压力根据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL 482—2011)计算，作用方向垂直于渡槽表面，图4和图6分别为采用盆式支座风荷载下槽身横向位移、槽身轴向应力。图5和图7分别为采用刚性连接风荷载下槽身横向位移、槽身轴向应力。

图4　风荷载引起的横向位移(单位：m)(盆式支座)

图5　风荷载引起的横向位移(单位：m)(2、3号墩刚性连接)

图6　风荷载引起的渡槽轴向应力(单位：MPa)(盆式支座)

图7　风荷载引起的渡槽轴向应力(单位：MPa)(2、3号墩刚性连接)

与采用盆式支座相比，采用刚性连接，位移减小，从44mm下降到26mm；槽身轴向应力也减小，从±0.90MPa 降低到±0.40MPa；但槽墩竖向应力增加，从±1.90MPa上升到±2.60MPa。

2.3对温度荷载的敏感性

渡槽所在地的年平均气温为9.8℃，月平均最高气温24.8℃，月平均最低气温-8.1℃，计算体系升温25℃，体系降温-20℃；粱箱外内表面温差：正温差取10℃，负温差取-8℃。

由于线性温差对整体变形影响不大，因此，仅考虑体系均匀温度变化[7]，这里以体系均匀温升25°为例进行分析。

对于盆式支座和刚性连接，槽身位移和应力没有明显变化；但槽墩应力变化较大，第一主应力从1.51MPa上升到2.70MPa，图8和图9分别为两种支座应力计算成果。

图8　均匀温升引起的竖向应力(单位：MPa)(盆式支座)

图9　均匀温升引起的竖向应力(单位：MPa)(2、3号墩刚性连接)

2.4地震响应

采用振型分解反应谱法[8]计算。计算范围：承台以上所有结构体，槽内水位按设计水位，不考虑地基变形。地面运动加速度施加于承台底部，其中水平向加速度0.10g，竖向0.0667g。

2.4.1结构自振特性

对于盆式支座，结构的前3阶频率较低且各模态间自振频率相差不是很大。在结构的前4阶模态中，分别以槽身纵向平移、横向平移、水平扭转及水平弯曲为主；第5～7阶模态以槽墩变形为主模态，第8阶则为槽墩和槽身共同变形模态。

对于刚性连接，在结构的前4阶模态中，分别以槽身纵向平移、横向平移、水平扭转及水平弯曲为主，这与盆式支座连接时的模态类似，不同的是槽身位移会带动2号和3号墩变形；而第5～7阶模态则主要是槽墩和槽身共同变形模态，与盆式支座连接有一定差异。

分析结果见表1。

表1　结构前10阶模态自振频率及周期

2.4.2地震动位移

对于盆式支座，不同方向地震及其组合下，渡槽最大相对位移(相对于地面运动)及发生位置见表 2。可以看出，水平向(X向和Y向)地震引起的位移较大，分别为58.10mm和61.80mm；竖向地震对结构影响较小；三向地震情况下，最大位移为84.80mm，发生在槽身中部。

表2　地震荷载作用下渡槽最大相对位移及发生位置(盆式支座) 　单位：mm

对于刚性连接，不同方向地震及其组合下，渡槽最大相对位移(相对于地面运动)及发生位置见表3。可以看出，受槽墩约束影响，水平向(X向和Y向)地震引起的位移小于盆式支座情况，分别为35.60mm和51.90mm；竖向地震对结构影响较小；三向地震情况下，最大位移为63mm，发生在槽身中部。

表3　地震荷载作用下渡槽最大相对位移及发生位置(刚性连接)　单位：mm

2.4.3地震动应力

对于盆式支座，不同方向地震及其组合下，第一主应力均发生在槽墩底部，特别是墩高较大的2号和3号墩墩底，三向地震时第一主应力为5.20MPa。在有横向地震作用时，槽身中部两侧拉应力也相对较高，三向地震时第一主应力1.60MPa。表4列出了不同地震组合时2号墩底部和槽身中部侧面的拉应力数值。

表4　地震荷载作用下渡槽第一主应力(盆式支座)　单位：MPa

对于刚性连接，不同方向地震及其组合下，渡槽第一主应力均发生在槽墩底部，特别是墩高较大的2号和3号墩墩底，第一主应力5.58MPa。在与槽墩连接位置，槽身的拉应力也相对较高，三向地震时达2.74MPa。表5列出了不同地震组合时2号墩底部和槽身中部侧面的拉应力数值。

表5　地震荷载作用下渡槽第一主应力(刚性连接)　单位：MPa

3　刚性连接与盆式支座的对比分析

不同荷载作用下2号、3号墩采用盆式支座及与槽身刚性连接对比见表6，从中可以看出：刚性连接对于降低竖向荷载引起的槽身拉应力效果不明显，降幅约5%；但可减少横向荷载引起的槽身纵向应力，降幅约20%，相应横向位移也有所降低。不过刚性连接的弊端也很明显，会显著增加风荷载及地震时槽墩底部的应力，增幅分别在40%和30%左右。

表6　盆式支座与刚性连接计算结果对比

4　结论及建议

经过分析比较，对于高墩大跨度渡槽，槽身和槽墩采用盆式支座和刚性连接各有优缺点，采用刚性连接能减少横向荷载引起的槽身纵向应力，但同时会显著增加风荷载及地震时槽墩底部的应力，合理确定支座结构型式，才能使槽身和槽墩的应力和位移都处于最优的工况。本渡槽经过两种支座对比分析，最终确定选用盆式支座，研究成果对类似的高墩大跨度渡槽支座型式选择有一定的参考意义。

[1]马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]谢玉立.大流量大跨度预应力渡槽支架法现浇施工技术[J].水利建设与管理,2013，33(8):7-12.

[3]张丹微，刘胜峰.矩形槽移动模架在双洎河渡槽施工中的应用[J].水利建设与管理，2014，2(4)：18-21.

[4]张继尧，王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]向国兴，徐江.徐家湾高墩大跨度连续刚构渡槽初步研究[J].中国农村水利水电，2001，7(5)，91-95.

[6]杨芳,李志国.南水北调中线工程泜河渡槽支座选择与抗震研究[J].南水北调与水利科技,2010,8(3):25-28.

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[8]SL 203—97水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，1997.

Contrast analysis of large-span prestressed aqueduct basin-type bearing and rigid connection structure

HAO Yachan

(ShanxiWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Taiyuan030024,China)

Many commonly-used large-span prestressed building construction methods are applied in water resources projects with the development of construction technology and the progress of construction method. Meanwhile, different bearing forms have great influence on large-span aqueduct shape and structure due to span increase. In the paper, the influence of adopting basin-type bearing and rigid connection on aqueduct structure in bridge aqueduct is analyzed. Basin-type bearing is adopted according to the result of the comparative study aiming at different loads.

aqueduct; tub bearing; rigid connection; load

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.10.008

TV672+.3

A

1005-4774(2016)10- 0026- 05