鋼筋混凝土豎井式倒虹吸工程結構分析

姬棟宇

（1.鄭州大學 土木工程學院，鄭州 450002；2.湖南城建職業技術學院 土木工程系，湖南 湘潭 411101）

1 工程概況

鐵路橋倒虹吸工程位于遼寧省復縣松樹水庫干渠上，管道穿越長春—大連鐵路橋北孔中心處，并與鐵路橋正交，進出口為鋼筋混凝土豎井，并與石拱渡槽相接。該倒虹吸設計流量8m3/s，設計水頭10.6m，最大水頭12.5m，水頭損失0.4m，流速1.51m/s。 倒虹吸管內徑2.6m， 壁厚0.22m， 糙率0.017， 全長83.80m。倒虹吸管混凝土強度等級為C20，全管共有3條伸縮縫，即管身與進出口豎井連接處各1條，水平管中部1條。

2 結構

2.1 模型參數

鐵路橋倒虹吸管采用的混凝土強度等級為C20，彈性模量E1為25.5GPa，泊松比μ1為0.167，容重γ1為24kN/m3。 混凝土底部設有墊層，墊層的混凝土強度等級為C15，彈性模量E2為22GPa，泊松比為μ20.167［1］。 鋼筋強度等級為Ⅱ級，彈性模量Es為200GPa，泊松比μs為0.28。

2.2 單元劃分

鋼筋混凝土豎井、倒虹吸管、墊層及覆土模型采用8節點等參塊體單元模擬，該單元每個節點具有3個平動自由度，常應用于分析實體結構的三維模型中［2］。該計算模型模擬了整個倒虹吸管從進口到出口部分，模型長度為55m，鋼筋混凝土豎井高14.4m，墊層厚度為0.6m。豎井式倒虹吸結構單元劃分如圖1所示。

2.3 計算工況

根據鐵路橋倒虹吸工程在施工和運營過程中的受力特點，結構分析主要考慮了3種計算工況［4］：工況1，倒虹吸管自重（施工工況）；工況2，結構自重＋最小水頭10.6m（運營工況）；工況3，結構自重＋設計水頭12.5m（運營工況）。

3 結果分析

3.1 路徑

鐵路橋倒虹吸管以中間斷面開始，每隔4.0m選取1個關鍵點，沿著水流方向在倒虹吸管內表面確定了3條計算路徑，用以分析該倒虹吸結構的應力和變形。路徑1，倒虹吸管頂；路徑2，倒虹吸管腰；路徑3，倒虹吸管底。

3.2 應力

鐵路橋倒虹吸工程在各個工況下分析路徑關鍵點上的環向應力的分布情況如表1所示。

表1 各個工況下分析路徑關鍵點上的環向應力 單位：MPa

從表1可以看出，在工況1下倒虹吸管的環向應力值較小，路徑2的環向應力為壓應力，這主要是由于在自重作用下，倒虹吸管腰處受壓，管頂和管底處受拉，因此路徑1、3為環向拉應力，而路徑2為環向壓應力。工況2、3下，倒虹吸管為環向拉應力，并且隨著水位的增加，其環向拉應力也在增加，各工況下關鍵點⑧上的環向應力值稍大，主要關鍵點⑧是倒虹吸管和豎井的交界點，在此處產生了應力集中現象，導致其環向應力值稍大。在各個工況下，倒虹吸管的管頂和管底環向應力大于管腰處的環向應力，主要原因是結構自重所產生的作用。

由于倒虹吸管和豎井的交界處應力值較大，下面給出了工況3下倒虹吸管和豎井的交界處的環向、軸向應力等值線圖，如圖2、3所示。

從圖2、3可以看出，在倒虹吸管和豎井的交界處的環向、軸向應力值較大，分布較為復雜。特別是在管頂處，其最大環向拉應力已經達到了1.35MPa，這主要是在交界處產生了應力集中現象所導致的結果。但倒虹吸管的軸向應力值遠小于其環向應力值，最大軸向應力值僅為0.201MPa。

3.3 變形

由于在整個運營過程中工況3水壓力最大，并且是設計工況，下面給出倒虹吸結構的總位移云圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，倒虹吸結構的最大位移出現在豎井頂端，其最大位移為0.126mm，位移基本上呈層狀分布，這是因為倒虹吸結構的位移主要是由于結構的自重所引起的基礎沉降，也就是說倒虹吸管發生了整體向下位移的情況。

4 結語

綜上所述，鐵路橋倒虹吸結構整體的應力和變形都較小，能夠滿足強度和剛度要求，該設計方案經濟合理、安全可靠。

［1］SL/T191—96，水工混凝土結構設計規范［S］.

［2］王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數值方法（第二版）［M］.北京：清華大學出版社，1997.

［3］李惠英，田文鐸，閻海新.倒虹吸管［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.