高地震区高跨渡槽设计及结构稳定计算分析

2024-03-19杨涛，骆震，佟童

水利规划与设计 2024年3期

杨涛，骆震，佟童

(新疆兵团勘测设计院集团股份有限公司，云南昆明 650500)

0 前言

渡槽作为一种重要的水工建筑物，在灌溉、输水、调水等优化水资源配置工程中发挥着重要的作用[1]。目前国内外已进行了较多研究，主要集中在结构选型、优化设计、结构抗震等几个方面[2]。在云南山区，往往地震烈度高，沟箐窄深，输水工程跨越沟箐经常会遇到高跨渡槽建筑物。尤其在灌区水利工程中，类似渡槽建筑物往往成了骨干工程中关键的卡脖子节点工程。因其建设投资占骨干输水工程建设投资的比重较大，合理的结构型式不仅是工程安全运行的保障，更是经济合理的基础。本文以宾川大型灌区中小庙箐渡槽为例，按照桥梁设计理论进行方案设计及结构稳定有限元分析，从而得到合理安全的渡槽结构设计，以期为高地震区高跨渡槽设计提供参考。

1 工程地质

1.1 地形地质条件

小庙箐渡槽位于大理州宾川县宾川灌区大银甸水库输水渠上，是输水渠上最大的一座节点工程。渡槽设计过水流量6.5m3/s，渡槽槽身总跨度105m，最大高度36m。

渡槽横跨小庙箐沟，冲沟宽110～120m，两岸地形呈窄深“V”形，山坡陡峭，呈基本对称状，不良物理地质象不发育。谷底分布第四系坡洪积层卵砾石、砾质土；厚度小于3m；两岸坡表分布有第四系残坡积层含砾粉质粘土、粉土质砾，厚度1～2m。下伏三叠系上统白土田组石英砂岩与泥质粉砂岩互层，强风化层厚9～11m，允许承载力500～800kPa，岩层产状55°NW∠24°。地质构造为单斜构造，岩层发育有Ⅳ、Ⅴ级结构面。地下水主要为风化裂隙水，沟底地下水位0.3m[3]。

1.2 区域地质构造

工程位于大理洱海东部，宾川盆地及其邻近一带，受构造影响与控制，主要山脉、河流及盆地均呈南北向展布，地势由南向北逐渐降低。按地貌成因，结合该区塑造地貌的构造应力、地表作用力、岩性等特征，工程区可分为构造侵蚀剥蚀地貌、断陷盆地地貌、低山丘陵地貌及溶蚀地貌4种类型。

工程处于中甸-大理地震带，地震主要受红河深大断裂与程海-宾川断裂发震构造的影响与控制。根据GB 18306—2015《1/400万中国地震动参数区划图》[4]，工程区地震动峰值加速度为0.20g，地震动加速度反应谱特征周期为0.45s，对应地震基本烈度Ⅷ度。

2 渡槽设计

小庙箐渡槽设计为简支梁式渡槽，全长149.79m，由进口引渠段、槽身段和出口连接渠段组成。

其中进口引渠段全长26.12m，渠道横断面形式为矩形，设计底宽2.3m，渠深1.85m，设计纵坡1/500，转弯半径为12m，结构型式采用C20素混凝土，底板及边墙厚度均为30cm，顶面采用15cm厚预制钢筋混凝土盖板。

槽身段总长105m，共计7跨，每跨15m，设计纵坡1/500，渡槽槽身为现浇C30、W6二级配钢筋砼矩形断面结构，过水断面净宽×高为2.3m×1.8m，外轮廓尺寸宽×高为3.3m×2.6m。为增加结构的整体稳定性，在槽身顶部间隔2.5m设置一拉杆，槽身顶部设置盖板。梁式渡槽的支承墩、架有重力式槽墩、钢筋混凝土槽架、混合式墩架和桩柱式槽架等形式[5]，根据地形情况，小庙箐渡槽槽身距底部河床高度13～36m，设计槽身支承墩采用重力墩形式，其中1#和6#槽墩高度小于15m，采用实心重力式槽墩，顺槽向、横槽向坡比为40∶1；2#—5#槽墩高度>15m，采用空心重力式槽墩，顺槽向、横槽向外坡坡比为40∶1，顺槽向、横槽向内坡坡比为80∶1；槽墩基础均采用直径1m的灌注桩群，桩顶浇筑盖梁与槽墩衔接，槽墩、承台、灌注桩均为现浇C35、W6二级配钢筋砼。每跨渡槽设伸缩缝1道，缝宽4cm，采用P651型止水橡皮止水，闭孔泡沫板填料填缝，临水面设5cm双组份聚硫密封胶闭口。考虑项目区处于高地震区，减震支座是通过自身剪切变形延长结构周期、增加结构阻尼，从而消耗地震能量，有效减小结构地震反应的装置，被广泛运用于桥梁结构中[6]，因此设计参考JGT/T 1302—01—2008《公路桥梁抗震设计细则》[7]支座采用普通盆式橡胶支座。

出口连接渠段全长18.67m，渠道横断面形式为矩形，设计底宽2.3m，渠深1.85m，设计纵坡1/500，转弯半径12m，结构型式采用C20素混凝土，底板及边墙厚度均为30cm，顶面采用15cm厚预制钢筋混凝土盖板。

渡槽结构纵横剖面图如图1所示。

图1 渡槽纵横剖面图

3 结构稳定计算分析

3.1 模型建立

Midas Civil是一款基于计算机处理和分析技术的空间有限元分析软件，主要应用于桥梁结构、地下结构分析与设计，设计采用基于MIDAS CIVIL软件的三维有限元，对渡槽参照桥梁结构受力进行分析。根据许新勇等[8]将有限元软件ABAQUS与MAT-LAB程序结合，并通过引入混凝土塑性损伤本构模型进行建模计算。将渡槽设计的结构特征参数分槽身、槽墩和桩基结构建立三维有限元模型。槽身简支梁结构取中间跨进行建模计算，槽身有限元模型共有节点55173个，单元32986个，网格尺寸为240mm。槽墩采用5484个四面体单元，网格尺寸为800mm。

根据地质资料、拟建渡槽结构方案，并结合类似项目工程经验，确定相应的岩土参数及材料参数，模型各结构设计材料力学参数取值见表1。

表1 力学参数取值

3.2 主要计算结果

3.2.1槽身

经计算分析，槽身整体竖向位移0.9155mm，小于容许最大挠度，说明槽身具有足够的刚度。最大主拉应力出现在跨中侧板底部肋板旁，为1.492MPa，略大于混凝土抗拉强度设计值。需要配置一定的钢筋减少裂缝宽度，提高局部抗拉强度。最大正应力及最大竖向位移均出现在槽身跨中区域，如图2—3所示。

图2 槽身竖向位移云图

图3 槽身竖向正应力云图

槽身横向最大拉应力出现在底板中心底部，为0.425MPa。如图4所示。

图4 槽身正应力云图[9]

槽身内力及配筋计算结果如下：

工况1：空槽(自重)。在渡槽未充水时，仅有自重作用，渡槽纵向跨中最大弯矩3210.2kN·m，两端最大剪力906.83kN。横向侧墙端部最大弯矩-16.5kN·m，底板端部弯矩-14.0kN·m，跨中弯矩13.6kN·m；侧墙剪力9.0kN，底板剪力43.6kN。

工况2：自重+设计水位。渡槽过设计水深1.70m时，纵向跨中最大弯矩3881.2kN·m，两端最大剪力1096.4kN。横向侧墙端部最大弯矩-20.4kN·m，底板端部弯矩-20.1kN·m，跨中弯矩18.3kN·m；侧墙剪力16.2kN，底板剪力59.0kN。

工况3：设计水位+地震。渡槽过设计水深1.70m时，遇8度地震，纵向跨中最大弯矩3865.5kN·m，两端最大剪力1091.9kN。横向侧墙端部最大弯矩-39.3kN·m，底板端部弯矩-38.9kN·m，跨中弯矩23.6kN·m；侧墙剪力31.0kN，底板剪力82.9kN。

按最不利工况计算槽身纵向受弯钢筋As=5946.4mm2。槽身横向底板跨中截面受弯钢筋As=187.97mm2，支座截面受弯钢筋As=310.32mm2均小于ρmin，按最小配筋率配筋As=2010mm2；侧墙横向跨中受弯钢筋As=417.22mm2<ρmin，按最小配筋率配筋As=1515mm2，抗剪钢筋均按构造配置。

3.2.2槽墩

模型以高度最大的3#槽墩进行分析，选择偶然组合中的地震工况(最不利)施工加荷载，全局施加重力加速度，对于槽墩整体分析结果：对荷载公共初步分析，槽墩受到附加弯矩和横向荷载，应力主要为竖向拉压应力，位移主要为平行与横向荷载的方向，根据位移云图可知，最大位移发生在槽墩顶部，且位移延槽墩向下递减，在地震工况下将槽墩简化为悬臂梁结构进行内力计算，横槽向最大位移6.34mm，与槽墩计算长度相比横向位移值较小，重力式槽墩刚度较高；根据槽墩应力云图可知，槽墩呈现受力侧拉，另一侧受压的状态，其中受拉区集中在槽墩下部与承台相接的外表面，最大值为0.284MPa，受压区最大值为1.713MPa，均未超过混凝土轴线抗拉抗压设计强度，如图5—6所示。

图5 槽墩竖向正应力云图

图6 槽墩Y向位移云图

根据竖向应力云图知，空心墩外侧出现最大拉应力，应力值较小为0.159MPa。实心墩部分的应力集中主要在内部，外部主要受压应力，如图7—8所示，可直接根据构造配筋即可。

图7 实心墩截面竖向应力云图

图8 空心墩截面竖向应力云图

设计采用Midas Civil和CDN根据桥梁设计规范对3#槽墩进行承载能力极限状态验算，正常使用阶段裂缝宽度验算，并提取墩身0m(实心截面顶部)、3m(空心变截面顶部)、16m(空心变截面中部)、29m(空心变截面顶部)典型截面计算，其最不利工况下计算结果见表2，槽墩各部位配筋见表3。

表2 槽墩最不利工况内力计算结果

表3 槽墩配筋表

设计对各截面分别进行了使用阶段正截面轴心抗压承载能力验算、偏心受压验算、水平最大弯矩最大及最小时的偏心受压验算、竖向最大及最小弯矩时的偏心受压验算等，均能满足规范要求。

3.2.3桩基

桩基包括承台和混凝土灌注桩，是承受槽身、槽墩荷载的主要结构。3#墩承台设计为长×宽×高为5m×8m×2m的混凝土结构，底部为2排、6根D1000的混凝土灌注桩。根据计算，在槽墩与承台接触面存在一定的应力集中，最大拉应力为0.89MPa，在配筋时需加强分析。桩基最大拉应力-7.93MPa，最大压应力1.56MPa，均出现在桩顶，在配筋时需加强分析。经计算，承台与桩均按照结构配筋可满足要求。

承台及桩基础有限元分析竖向应力云图如图9—10所示。