黑河输水渠道沣峪渡槽槽身结构稳定性分析研究

孙宇飞,王海婷

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

0 引言

沣峪渡槽位于秦岭北麓沣峪口,是黑河输水渠道的重要输水建筑物,渡槽上部行水结构采用现浇250#钢筋混凝土长度67.48 m,设计流量14 m3/s,加大流量15 m3/s,下部支撑为拱板,主拱圈为变截面悬链线无铰拱,拱轴系数采用1.347,拱跨40 m,采用现浇 250#钢筋砼,主拱圈上为现浇250#钢筋砼单肢排架,排架间距5 m。边跨排架高6.79 m,拱墩采用150#现浇钢筋砼,高2.2 m,宽2.4 m,长4.0 m,置于微风化基岩上[1-3]。

沣峪渡槽1994年建成并投入使用,承担着西安市的供水任务,现已运行近二十年,为保证渡槽的安全运行,需对渡槽结构稳定性进行分析。渡槽在不同荷载、不同的荷载组合作用下结构的应力、变形状态较复杂,采用一般的计算方法很难准确地反映在各种运行工况下结构内部应力的实际分布及变形规律[4]。

宋兵伟等[5]采用ANSYS 有限元软件通过三维有限元数值模拟计算的方式对英那河渡槽进行了结构分析,考虑了在多种荷载因素影响下的主拱圈的应力和变形。甘磊等[6]采用ABAQUS 软件建立三维有限元计算模型,结合均质化理论,分析了应力、位移、沉降等因素对于渡槽结构的影响,综合评价了渡槽的结构安全性能。罗日洪等[7]人优化了模糊综合评价法（FCE）,综合主观权重与客观权重,并引进全优型合成算子计算总目标隶属度,再与对应的风险等级进行加权综合得到风险度,以此确定渡槽的安全类别。张伟[8]采用Midas 对舒庐干渠泉水堰渡槽进行结构计算分析,能够较为直观的实现结构计算和验算,达到工程分析的进度要求。何利涛等[9]采用有限元仿真技术分析了渡槽结构应力和变形,结果表明通过预应力混凝土结构可以有效控制渡槽结构拉应力。

本文选用Midas 有限元软件构建渡槽三维计算模型,通过模型计算的方式对渡槽槽身结构稳定性进行分析研究。

1 有限元模型基本参数

1.1 计算模型参数

结构复核计算中选取平面有限元方法进行,槽身、主拱圈采用三维整体计算模型,支架分构件建模,渡槽上部栏杆及路面做法转换为二期荷载施加,人群按移动荷载施加,整体计算所采用的单元和连接形式见表1。

表1 模型单元及连接参数

1.2 荷载参数

计算的荷载参数包括自重（含槽箱、主拱、墩帽、墩柱）、二期荷载、水重、风荷载、整体升温及降温、梯度升温及降温等。

1.3 荷载效应组合

渡槽承载能力极限状态荷载效应组合：

（1）组合1：基本组合

永久荷载对结构不利：

永久荷载对结构有利：

（2）组合2：偶然组合

永久荷载对结构不利：

式中：SGik为自重等永久荷载标准值产生的荷载效应；SQik为一般可变荷载标准值产生的荷载效应；SAk为偶然荷载标准值产生的荷载效应。

1.4 结构计算模型

沣峪渡槽有限元模型见图1。

图1 沣峪渡槽空间分析计算模型

2 承载力验算方法

根据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）的规定,渡槽构件承载力采用下列公式验算[10]：

式中：K 为承载力安全系数,按《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）的规定选用；S 为荷载效应组合设计值；R 为结构构件的截面承载力设计值,由材料的强度设计值及截面尺寸等因素计算得出。

3 结构稳定性计算

3.1 槽身结构分析

根据现场检测结果,所检构件强度均满足设计值,在模型计算时均按照设计时材料强度取值,即：250#混凝土轴心抗压强度设计值为11.9 MPa,轴心抗拉强度设计值为1.78 MPa；钢筋为HPB235,轴心抗拉强度设计值为210 MPa。

3.2 荷载工况及内力计算

3.2.1 荷载工况

（1）工况一

空槽运行工况：荷载考虑渡槽和桥墩自重、二期荷载及风荷载,荷载应组合考虑组合1（基本组合）,永久荷载对结构产生不利影响。

（2）工况二

设计水位运行工况：在考虑结构自重、二期荷载和风荷载的基础上,添加设计水位、整体升温降温、梯度升温降温引起的荷载变化,荷载效应组合考虑组合1（基本组合）,永久荷载对结构产生不利影响。

（3）工况三

极限运行工况：在工况二的运行工况中将设计水深更改为满槽水深,效应组合按照组合2（偶然组合）。

3.2.2 内力计算

按照现场实际检测结果,建立有限元模型,计算跨跨中附近截面和支座附近截面各工况承载能力极限状态下内力计算结果及正常使用极限状态下跨中弯矩计算结果见表2,各状态下内力云图见图2、图3。

图2 渡槽承载能力极限状态下各工况内力图

图3 渡槽正常使用极限状态各工况内力图

表2 各工况下极限状态内力计算结果

3.3 正截面受弯承载力验算

按《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）中第6.2节的相关要求对渡槽纵向承载力进行复核[10]。组合1（基本组合）安全系数不小于1.2,组合2（偶然组合）安全系数不小于1.0。

槽身正截面抗弯承载力计算结果见表3。计算结果表明,沣峪渡槽槽身构件纵向计算的正截面抗弯承载力满足现行规范要求。

表3 槽身纵向正截面抗弯承载力计算结果

3.4 斜截面受剪承载力验算

槽身斜截面受剪承载力复核计算选取支座附近处进行复核,按《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）中第6.5.1条和6.5.3 条的要求分别进行截面复核和承载力复核[10]。

（1）截面复核

钢筋混凝土结构构件斜截面抗剪承载力中截面安全系数范围限值为：组合1（基本组合）安全系数不小于1.2, 组合2（偶然组合）安全系数不小于1.0。槽身构件支座附近截面承载力截面复核计算结果见表4。结果表明,该槽身结构斜截面抗剪承载力中截面满足现行规范要求。

表4 槽身斜截面抗剪承载力中截面计算结果

（2）承载力复核

钢筋混凝土结构构件斜截面抗剪承载力安全系数范围限值为：组合1（基本组合）安全系数不小于1.2,组合2（偶然组合）安全系数不小于1.0。槽身构件支座附近截面承载力复核计算结果见表5。结果表明,该槽身结构斜截面抗剪承载力中承载力满足现行规范要求。

表5 槽身斜截面抗剪承载力中截面承载力复核计算结果

3.5 槽身抗滑稳定复核

槽身结构抗滑稳定安全系数K1按照下式计算：

式中：fb为支座摩擦系数,取0.06；N1为槽身无水时的自重,取635.4 kN；P1为作用于槽身的水平向风压力,取24.23 kN。

抗滑动稳定安全系数规范限值为1.5。经计算,沣峪渡槽槽身抗滑稳定安全系数为1.6,满足规范要求。

3.6 槽身抗倾覆稳定复核

槽身结构抗倾覆稳定安全系数K1按照下式计算：

式中：Mn为抗倾覆力矩,5 m 跨空槽时Mn=1127.8 kN·m；Mp为倾覆力矩,5 m 跨风荷载Mp=43.0 kN·m。

抗倾覆稳定安全系数规范限值为1.1。沣峪渡槽槽身抗倾覆稳定安全系数为26,满足规范要求。

4 结论

本文通过对沣峪渡槽各部位构建计算模型,得出如下结论：

（1）经复核计算可知,沣峪渡槽的槽身纵向计算的正截面抗弯承载力、槽身结构斜截面抗剪承载力中截面、槽身结构斜截面抗剪承载力中承载力均满足现行规范要求,综合评价该渡槽槽身结构稳定性符合规范要求。

（2）可以采用Midas 有限元软件通过构建渡槽槽身结构的三维计算模型来对其进行安全复核,各项参数的计算能够满足规范对于验算参数计算的要求。