大跨度预应力混凝土简支箱梁结构渡槽计算

李 娜

（南宁职业技术学院，南宁 530023）

1 工程概况

广西桂中治旱乐滩水库引水灌区工程设计灌溉面积128.79万亩，灌区渠首取水口设计引水流量为70 m3/s，属Ⅱ等大（2）型灌区。该工程分为两个建设周期，一期建设总干渠灌片及北干渠灌片，二期建设南干渠灌片。南干渠灌片设计灌溉面积74.11万亩，渠首设计引水流量为34.02 m3/s。

刘家村渡槽位于迁江分干渠跨越清水河输水渠道段，为迁江分干渠关键建筑物。刘家村渡槽设计输水流量为10.50 m3/s，加大输水流量为13.13 m3/s，设计纵坡1/4000，设计水面线高程为96.02～95.79 m。刘家村渡槽全长933.6 m，主槽上部槽身采用混凝土简支梁结构，跨河及河滩段共布置6 跨50 m的预应力混凝土简支箱梁结构渡槽，其它渡槽段采用12.024～15 m跨径矩形槽简支梁结构。渡槽50 m跨径箱梁跨中截面梁高4.25 m，支座截面梁高4.35 m，箱梁采用三向预应力体系，纵、横、竖三向均设置预应力钢束；箱梁段渡槽下部采用C30（2）混凝土薄壁空心墩，墩基用采用混凝土扩大基础。12.024～15 m跨径矩形槽采用C30（1）普通混凝土结构，梁高3.9 m，矩形槽段渡槽下部采用钢筋混凝土重力墩或排架，墩基采用混凝土扩大基础，对于局部穿越煤矿开采回填区段则采用桩基础处理。50 m 跨预应力混凝土简支箱梁结构渡槽具体工程布置见图1，断面图见图2。

图1 150 m跨预应力混凝土简支箱梁结构渡槽纵剖面

2 计算条件和方法

以刘家村渡槽50 m 跨预应力混凝土简支箱梁为例，根据水库渡槽的结构特点，划分为纵向、竖向及横向三向预应力钢束，利用Midas 有限元软件进行设计计算。计算使用的基本单位为s（时间）、kg（质量）、kN（力）、m（长度）。

图2 250 m跨预应力混凝土简支箱梁结构渡槽横断面及预应力钢束布置

2.1 槽身纵向预应力钢束计算分析

取刘家村渡槽49.96 m预应力渡槽混凝土整体结构作为计算对象。渡槽纵向承受自重，槽内水重及其他荷载重量，沿渡槽纵向截取单位槽长进行软件计算，模型采用直角坐标系，以顺水方向为X轴，下游方向为正；垂直水流方向为Y 轴，左岸指向为正；竖直向为Z轴，向上为正。计算单元数量选取：1 个施工阶段，30 个梁单元；31 个节点数量；296 束钢束；2个边界条件，计算模型见图3。

图3 渡槽Civil有限元计算模型

2.2 槽身横向内力及结构计算

渡槽箱梁截面形式采用单箱单室，横向分析沿纵槽向取单位长度槽身为计算单元，计算考虑渡槽顶板（1束）、底板的横向预应力钢束（2束）和腹板竖向预应力钢筋（每侧腹板2 根）；框架腹板处的约束按简支考虑。箱梁横向分析计算采用进行结构分析，取跨中1 m 箱梁为结构分析对象，共划分为32个单元和34个节点。单元划分情况见图4。

图4 渡槽横向有限元计算模型

2.3 边界条件设计及计算假定

由于温变场对混凝土结构的裂缝影响较大，计算时需考虑其对结构的影响。同时，计算时栏杆均简化为均布荷载施加。渡槽支座处采用简支约束。

2.4 计算工况及荷载组合

渡槽在进行结构计算时，需考虑结构自重、二期恒载、人群荷载、水荷载、温度荷载（温升、温降及温度梯度）、支座沉降及钢束张拉控制力等荷载的作用。参考《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）相关规定进行工况组合，计算时选用的控制工况有9种，包括设计水荷载组合工况3种、加大水荷载组合工况3种及空槽荷载组合工况3种。

2.5 其他说明

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）附录F计算收缩和徐变系数，年平均相对湿度取78%，加载龄期按7 d考虑。

构件类型：全预应力。设计安全等级采用一级，构件采用现浇制作，预应力张拉形式为后张法。

3 结构有限元计算方法

运用有限元软件Midas/Civil对渡槽的三向预应力钢束进行设计计算。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）对结构进行使用阶段正截面抗弯验算、使用阶段抗扭验算、箱梁支座承载力验算、使用阶段正截面抗裂验算、使用阶段斜截面抗裂验算、使用阶段的挠度验算、箱梁正截面混凝土法向压应力、箱梁正截面混凝土主压应力、持久状况预应力钢筋应力验算。

3.1 纵向预应力钢筋计算结果

（1）预应力钢束。Φs15.2的钢绞线，共296束，其中底板为8×19Φs15.2直线型预应力钢绞线，单侧腹板为4×18Φs15.2曲线型预应力钢绞线。

（2）普通钢筋。采用直径为16 的HRB400 钢筋，间距150 mm。预应力混凝土结构纵向设计状态计算过程中，计入纵向普通钢筋的贡献。

3.2 横向结构计算

对纵槽向单位长度框架箱梁进行了横向静力分析，充分考虑了荷载效应的影响，限裂验算结果表明：箱梁横向在最不利组合作用下裂缝宽度仅0.01 mm，满足本计算制定的控制指标。承载力验算结果中，顶板、底板按抗弯构件进行抗弯、抗剪承载力验算，腹板按偏心受压构件进行承载力验算，计算结果均满足有关规范要求。

经过横向结构计算，渡槽箱梁顶板横向钢束单束采用3Φs15.2@1000 高强度低松弛预应力钢绞线、腹板竖向和底板横向预应力钢筋采用2 根JL32@500精轧螺纹钢筋。

3.3 箱梁挠度计算

箱梁由预加应力产生的反拱值为16.1 mm，长期增长系数取2.0，则预加应力产生的长期反拱值为：16.1×2=32.2 m＜50.9 mm，箱梁应设预拱度，跨中预拱度值取20 mm。箱梁挠度验算见表1。

表1 箱梁挠度验算

3.4 箱梁支座承载力计算

在最不利组合工况下槽身两端支座的最大支座反力值小于GPZ（Ⅱ）6 支座的最大容许承压力，支座承载力满足规范要求。最不利荷载组合工况下的支座反力值见表2。

表2 最不利荷载组合工况下的支座反力统计 kN

4 结语

本文根据水库引水灌区渡槽的结构特点，运用有限元软件Midas/Civil 对渡槽纵向、竖向及横向三向预应力钢束进行结构设计，采用经典的结构力学方法详细分析了渡槽的内力情况，并全面研究了预应力渡槽的纵向及横向的应力变形问题，精确拟定出预应力渡槽结构布置形式、成果及普通钢筋配筋成果，为后续工程设计、施工等相关技术活动提供了必要的基础数据。