大跨度預應力混凝土簡支箱梁結構渡槽計算

李 娜

（南寧職業技術學院，南寧 530023）

1 工程概況

廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區工程設計灌溉面積128.79萬畝，灌區渠首取水口設計引水流量為70 m3/s，屬Ⅱ等大（2）型灌區。該工程分為兩個建設周期，一期建設總干渠灌片及北干渠灌片，二期建設南干渠灌片。南干渠灌片設計灌溉面積74.11萬畝，渠首設計引水流量為34.02 m3/s。

劉家村渡槽位于遷江分干渠跨越清水河輸水渠道段，為遷江分干渠關鍵建筑物。劉家村渡槽設計輸水流量為10.50 m3/s，加大輸水流量為13.13 m3/s，設計縱坡1/4000，設計水面線高程為96.02～95.79 m。劉家村渡槽全長933.6 m，主槽上部槽身采用混凝土簡支梁結構，跨河及河灘段共布置6 跨50 m的預應力混凝土簡支箱梁結構渡槽，其它渡槽段采用12.024～15 m跨徑矩形槽簡支梁結構。渡槽50 m跨徑箱梁跨中截面梁高4.25 m，支座截面梁高4.35 m，箱梁采用三向預應力體系，縱、橫、豎三向均設置預應力鋼束；箱梁段渡槽下部采用C30（2）混凝土薄壁空心墩，墩基用采用混凝土擴大基礎。12.024～15 m跨徑矩形槽采用C30（1）普通混凝土結構，梁高3.9 m，矩形槽段渡槽下部采用鋼筋混凝土重力墩或排架，墩基采用混凝土擴大基礎，對于局部穿越煤礦開采回填區段則采用樁基礎處理。50 m 跨預應力混凝土簡支箱梁結構渡槽具體工程布置見圖1，斷面圖見圖2。

圖1 150 m跨預應力混凝土簡支箱梁結構渡槽縱剖面

2 計算條件和方法

以劉家村渡槽50 m 跨預應力混凝土簡支箱梁為例，根據水庫渡槽的結構特點，劃分為縱向、豎向及橫向三向預應力鋼束，利用Midas 有限元軟件進行設計計算。計算使用的基本單位為s（時間）、kg（質量）、kN（力）、m（長度）。

圖2 250 m跨預應力混凝土簡支箱梁結構渡槽橫斷面及預應力鋼束布置

2.1 槽身縱向預應力鋼束計算分析

取劉家村渡槽49.96 m預應力渡槽混凝土整體結構作為計算對象。渡槽縱向承受自重，槽內水重及其他荷載重量，沿渡槽縱向截取單位槽長進行軟件計算，模型采用直角坐標系，以順水方向為X軸，下游方向為正；垂直水流方向為Y 軸，左岸指向為正；豎直向為Z軸，向上為正。計算單元數量選取：1 個施工階段，30 個梁單元；31 個節點數量；296 束鋼束；2個邊界條件，計算模型見圖3。

圖3 渡槽Civil有限元計算模型

2.2 槽身橫向內力及結構計算

渡槽箱梁截面形式采用單箱單室，橫向分析沿縱槽向取單位長度槽身為計算單元，計算考慮渡槽頂板（1束）、底板的橫向預應力鋼束（2束）和腹板豎向預應力鋼筋（每側腹板2 根）；框架腹板處的約束按簡支考慮。箱梁橫向分析計算采用進行結構分析，取跨中1 m 箱梁為結構分析對象，共劃分為32個單元和34個節點。單元劃分情況見圖4。

圖4 渡槽橫向有限元計算模型

2.3 邊界條件設計及計算假定

由于溫變場對混凝土結構的裂縫影響較大，計算時需考慮其對結構的影響。同時，計算時欄桿均簡化為均布荷載施加。渡槽支座處采用簡支約束。

2.4 計算工況及荷載組合

渡槽在進行結構計算時，需考慮結構自重、二期恒載、人群荷載、水荷載、溫度荷載（溫升、溫降及溫度梯度）、支座沉降及鋼束張拉控制力等荷載的作用。參考《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015）相關規定進行工況組合，計算時選用的控制工況有9種，包括設計水荷載組合工況3種、加大水荷載組合工況3種及空槽荷載組合工況3種。

2.5 其他說明

按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62-2004）附錄F計算收縮和徐變系數，年平均相對濕度取78%，加載齡期按7 d考慮。

構件類型：全預應力。設計安全等級采用一級，構件采用現澆制作，預應力張拉形式為后張法。

3 結構有限元計算方法

運用有限元軟件Midas/Civil對渡槽的三向預應力鋼束進行設計計算。按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）對結構進行使用階段正截面抗彎驗算、使用階段抗扭驗算、箱梁支座承載力驗算、使用階段正截面抗裂驗算、使用階段斜截面抗裂驗算、使用階段的撓度驗算、箱梁正截面混凝土法向壓應力、箱梁正截面混凝土主壓應力、持久狀況預應力鋼筋應力驗算。

3.1 縱向預應力鋼筋計算結果

（1）預應力鋼束。Φs15.2的鋼絞線，共296束，其中底板為8×19Φs15.2直線型預應力鋼絞線，單側腹板為4×18Φs15.2曲線型預應力鋼絞線。

（2）普通鋼筋。采用直徑為16 的HRB400 鋼筋，間距150 mm。預應力混凝土結構縱向設計狀態計算過程中，計入縱向普通鋼筋的貢獻。

3.2 橫向結構計算

對縱槽向單位長度框架箱梁進行了橫向靜力分析，充分考慮了荷載效應的影響，限裂驗算結果表明：箱梁橫向在最不利組合作用下裂縫寬度僅0.01 mm，滿足本計算制定的控制指標。承載力驗算結果中，頂板、底板按抗彎構件進行抗彎、抗剪承載力驗算，腹板按偏心受壓構件進行承載力驗算，計算結果均滿足有關規范要求。

經過橫向結構計算，渡槽箱梁頂板橫向鋼束單束采用3Φs15.2@1000 高強度低松弛預應力鋼絞線、腹板豎向和底板橫向預應力鋼筋采用2 根JL32@500精軋螺紋鋼筋。

3.3 箱梁撓度計算

箱梁由預加應力產生的反拱值為16.1 mm，長期增長系數取2.0，則預加應力產生的長期反拱值為：16.1×2=32.2 m＜50.9 mm，箱梁應設預拱度，跨中預拱度值取20 mm。箱梁撓度驗算見表1。

表1 箱梁撓度驗算

3.4 箱梁支座承載力計算

在最不利組合工況下槽身兩端支座的最大支座反力值小于GPZ（Ⅱ）6 支座的最大容許承壓力，支座承載力滿足規范要求。最不利荷載組合工況下的支座反力值見表2。

表2 最不利荷載組合工況下的支座反力統計 kN

4 結語

本文根據水庫引水灌區渡槽的結構特點，運用有限元軟件Midas/Civil 對渡槽縱向、豎向及橫向三向預應力鋼束進行結構設計，采用經典的結構力學方法詳細分析了渡槽的內力情況，并全面研究了預應力渡槽的縱向及橫向的應力變形問題，精確擬定出預應力渡槽結構布置形式、成果及普通鋼筋配筋成果，為后續工程設計、施工等相關技術活動提供了必要的基礎數據。