某水庫灌溉渡槽結構應力分析與配筋計算

汪小妹 周舟

[摘要]根據某水庫灌溉渡槽的結構特點，劃分為縱向、橫向平面結構進行計算，采用經典的結構力學方法細致詳盡的分析了灌溉渡槽的內力情況，為灌溉渡槽的結構安全性評價提供了精確可靠的內力值和配筋計算，并為后續修復加固設計、施工等相關技術活動提供必要的基礎數據。

[關鍵詞]荷載組合;應力分析;配筋計算

[中圖分類號]TV672.3[文獻標識碼]A

1? ? 概述

某灌溉渡槽位于沿海某城鎮，該地區最低氣溫約14℃，最高氣溫36℃。灌溉渠道建成于1995年，起點位于某水庫，由多段明渠、箱涵及架空渡槽組成。渡槽槽身采用帶拉桿U型截面鋼筋混凝土簡支梁式渡槽，跨度10m。渡槽支架為鋼筋混凝土單跨平面框架，高度界于1.5～12m之間，支架沿高度方向布置有橫向連梁。渡槽橫截面示意圖（見圖1）。

渡槽經過多年使用，混凝土構件出現了不同程度的外觀缺陷和結構損傷，缺陷多為老化損傷。具體表現為：（1）因混凝土保護層厚度偏小，鋼筋銹蝕造成的混凝土剝落及保護層沿縱筋向脹裂;（2）部分構件鋼筋出現較為明顯的銹蝕，個別槽身環筋及梁、柱箍筋已銹斷等。鑒于渡槽出現的問題，亟待對其進行加固處理。

2? ? 理論計算分析

渡槽l0/D=9.73/1.4=6.95>3，屬于長殼渡槽，可劃分為縱向、橫向平面結構進行計算。

渡槽縱向承受槽身自重、槽內水重及人行便橋上的人群荷載作用，可簡化為U型截面簡支梁計算其內力（彎矩、剪力），按現行規范所規定的極限狀態設計法進行截面設計——計算槽身縱向正截面受彎鋼筋和斜截面抗剪鋼筋。

沿渡槽縱向截取單位槽長作為計算單元進行橫向內力分析。作用在計算單元上的荷載有：水壓力、自重、人群荷載等，這些向下的荷載由作用在計算單元兩端截面上的剪應力差所平衡，習慣上常將該剪應力差稱為橫截面上的剪應力。

由于槽身在橫向的幾何形狀是對稱的，豎向荷載也是對稱的，結構計算簡圖可取為圖2所示的一次超靜定結構簡圖。

3? ? 縱向計算

3.1? ? 荷載計算

3.1.1? ? 基本組合1（設計水深）。荷載標準值：qk=g11k+g12k+p11k+p12k=0.263+8.817+1.750+14.697=25.527（kN/m）;荷載設計值：q=g11+g12+p11+p12=0.276+9.258+2.100+17.636=29.270 （kN/m）。

3.1.2? ? 基本組合2（滿槽水深）。

荷載標準值：qk=g11k+g12k+p11k+p21k=0.263+8.817+1.750+ 16.937=27.767（kN/m）;

荷載設計值：q=g11+g12+p11+p21=0.276+9.258+2.100+ 18.631=30.265（kN/m）。

注：縱向承載力計算以基本組合2（滿槽水深）控制。

3.2? ? 內力及承載力計算

3.2.1? ? 縱向內力。l0=9.96-0.23=9.73m;ln=9.96-0.46=9.50m;

3.2.2? ? 承載力計算參數。

（1）幾何尺寸：h=1500mm;hf '=130mm;bf '=500mm< l0/6=9730/6=1622mm;b=140mm;h0=1500-70=1430mm;hw=700+500=1200mm。

（2）材料：

混凝土C25（22/0.88=25MPa）：

fc=11.9N/mm2，ft=1.27N/mm2;

HRB335級鋼筋：fy=300N/mm2;HPB235級鋼筋：fy=210N/mm2。

3.2.3? ? 正截面承載力計算。

x=h0=0.036×1430=51.4mm

按最小配筋率所需的鋼筋面積：

As，min=0.2%bh0=0.002×140×1430=400（mm2）。

3.2.4? ? 斜截面承載力計算。

hw/b=1200/140=8.6>6;

KV=1.2×143.759×103=172511（N）<0.2fcbh0=0.2×11.9×140×1430=476476（N）;

截面尺寸滿足要求。

KV=1.2×143.759×103=172511（N）<0.7ftbh0=0.7×1.27×140×1430=177978（N）;

不需計算抗剪鋼筋。

按最小配箍率所需的箍筋面積：（Asv/s），min=0.15%b= 0.0015×140=0.21（mm2/mm），沿槽身縱向每延米需按構造配置抗剪橫向鋼筋為0.21×1000/2=105（mm2/m）。

4? ? 橫向計算

按荷載標準值、設計值分別計算內力，配筋時按內力設計值乘以安全系數K=1.20（3級水工建筑物，基本組合）。沿縱向1m長槽身為計算單元。

4.1? ? 計算參數

槽身橫向內力計算參數見表1。

4.2? ? 槽身橫向內力及配筋計算

槽身鋼筋保護層厚度a=2～3cm，槽身橫向配單筋位于槽壁中心。

橫向配筋計算處理：一般殼槽橫向鋼筋由偏心受拉位置控制，因此只計算偏心拉力或彎矩較大的截面。對壁厚t=70mm的截面，取as=as?=35mm，as+as?=70mm=t，此時截面為大偏心受拉，按不考慮受壓鋼筋的作用（取As?=0）確定受拉鋼筋的面積As。對其它厚度的截面，取as=as?=35mm。橫桿按軸心受拉構件計算鋼筋。

渡槽槽身橫向內力及配筋結果匯總見表2，表中j=75°處截面厚度是從設計圖紙上量測得到的近似值。

由表2可見，槽身橫截面外壁在= 15?位置所需鋼筋面積最大，As=229mm2/m，該鋼筋可兼作縱向抗剪構造鋼筋。槽底內壁所需鋼筋面積最大，為As=180mm2/m。

5? ? 結論

通過復核驗算，在考慮不同程度缺陷的鋼筋折減的情況下，槽身鋼筋配置不滿足計算要求。

為保證渡槽安全使用，考慮到渡槽臨近海邊，建議對槽身外觀缺陷損傷清理基面、除銹后，采用聚合物砂漿進行修復處理，同時對計算不滿足要求的槽身采用外包鋼或碳纖維等方法進行加固，并在構件表面涂刷防碳化涂料對結構進行防護處理。

[參考文獻]

[1] 周氐，章定國，鈕新強，主編.水工混凝土結構設計手冊[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[2] 華東水利學院，大連工學院，西北農學院.水工鋼筋混凝土結構（下冊）[M].北京：水利電力出版社，1975.

[3] 朱燕，王超，姚雪華，等.王堤口渡槽樁頂連續梁結構荷載組合及應力分析[J].水利科技與經濟，2012，18（7）：52-54.