預應力U 型薄殼渡槽槽身結構設計分析

王 沛

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

水利工程多處于深溝高壘之中，通過隧洞、渠道及渡槽等輸水建筑物向平原城鎮地區進行城市供水，線路跨越復雜地形或天然河道時多以渡槽或倒虹吸形式布設，考慮到倒虹吸在施工期對地形的擾動、后期運行、檢修等不利因素，大跨度預應力渡槽可有效避開不利地形。本次選取西安市李家河水庫輸水總干渠復線工程30 m 跨徑預應力U 型薄殼渡槽進行定性、定量分析論證。

1 工程概況

西安市李家河水庫黃土嶺分水閘～將軍嶺分水閘總干渠建于1989 年，原工程任務為灌溉，2015 年將其改造后作為水李家河水庫工程供水總干渠的一部分。李家河復線工程位于原總干渠的右側，起點位于黃土嶺分水閘處，終點位于將軍嶺分水閘，全長7.707 km，主要建筑物由隧洞、渡槽、箱涵和起點水閘、末點匯流池組成。

2 U 型渡槽結構設計

2.1 槽身結構布置

李家河復線工程共設5 座渡槽，總長度1.35 km，本次渡槽的論證流量4.15 m3／s，渡槽級別為3 級建筑物，設計縱坡1／1129.64，U型斷面結構尺寸為：弧內半徑1.25 m，凈高為1.8 m。側槽壁厚0.25 m，弧底壁厚0.4 m，頂部設拉桿，間距2 m。渡槽計算跨度為30 m，實際跨度扣除伸縮縫后為29.96 m，見圖1。

圖1 U 形渡槽斷面設計（尺寸單位：cm）

2.2 槽身主要材料及相關參數

（1）主要材料

渡槽上部結構采用C50 混凝土，預應力鋼絞線公稱直徑Φs15.2 mm。

（2）主要材料強度及應力（見表1）

表1 主要材料強度、應力表 單位：MPa

（3）相關參數

預應力鋼筋松弛系數為0.3；

管道摩阻系數 =0.3；

偏差系數K=0.0015；

一端錨具變形引起的鋼束回縮量為6 mm。

2.3 結構設計工況、荷載、計算參數及結構設計控制標準

（1）工況組合

李家河復線渡槽施工期由造槽機一次澆筑成型，完建期將承受自重、蓋板、欄桿及預應力荷載作用；檢修期承受檢修荷載；正常運行期還將承受水荷載。槽內水與外界氣溫還存在溫差，夏季槽內水溫低、外界氣溫高，冬季槽內水溫高、外界氣溫低；偶然情況下，有可能出現槽內壅水，即滿槽蓄水（可認為水壓力為靜力）；施工期造槽機利用槽身過孔，其槽機荷載將不對稱的加載在渡槽腹板上；施工期渡槽還將承擔人工拆模及鋼材拉運等施工荷載。結構工況設計如下。

1）基本組合：

工況一（完建期）：自重＋欄桿＋蓋板＋預應力；

工況二（槽機過孔）：工況一＋槽機過孔＋風荷載；

工況三（施工期）：工況一＋材料運輸＋風荷載。

2）偶然組合：

工況四（檢修期）：工況一＋風荷載＋檢修荷載；

工況五（運行期-夏季）：工況一＋設計水重＋夏季升溫＋人群荷載＋風荷載；

工況六（運行期-冬季）：工況一＋設計水重＋冬季降溫＋雪荷載＋人群荷載＋風荷載；

工況七（滿槽）：工況一＋滿槽水重＋風荷載＋冬季降溫+雪+人群荷載。

（2）荷載及計算參數

1）槽身自重、水重、欄桿、蓋板、人群荷載及檢修荷載：槽身混凝土容重為25 kN／m3，水容重為10 kN／m3，設計水深1.37 m，滿槽水深1.8 m。人群荷載為2.5 kN／m2，檢修荷載為10 kN／m，材料運輸荷載為4 kN／m，C50 混凝土彈性模量Es=3.45×104MPa，泊松比0.167。

2）渡槽溫度邊界條件按穩態考慮，溫差宜取多年月平均最高或最低氣溫與水溫之差。渡槽槽內水溫參考相關資料確定。氣溫則采用藍田縣氣象站統計資料，夏季大氣多年最高月平均溫度為七月26.6℃，冬季大氣多年最低月平均溫度為一月-1.23℃。槽內水溫夏季采用20℃，冬季采用2℃。根據上述溫度渡槽結構設計時槽內外溫差夏季溫升采用6.6℃；冬季溫降采用3.23℃。槽身混凝土線熱脹系數7×10-6，導熱系數10.6 kJ／（m?h?℃），比熱0.96 kJ／（kg?℃），導溫系數0.0045 m2／h。

3）風荷載：垂直于槽身表面上的風荷載標準值按下式計算∶

式中：k為風荷載標準值；βz為高度z 處的風振系數，取值1.54；s為風荷載體形系數，取1.3；z為風壓高度變化系數，取1.71；0為基本風壓，參照《建筑結構荷載設計規范》（GB 50009-2012）全國基本風壓圖，取0.36 kN／m2。

4）雪荷載：渡槽完建期后，頂面寬度為3.6 m。雪荷載按下式計算：

式中：S 為雪荷載，kN／m2；r為建筑物頂面積雪分布系數，取值為1；S0為雪壓，0.32 kN／m2。

5）槽機過孔：根據造槽機過孔原理，槽機的1#、3#支腿位于槽墩上，槽機2#、4#支腿位于槽身上，槽機4#支腿位于渡槽7.5 m 處，產生的彎矩最大，此時槽機支腿可看做集中力作用，4#腿、2#腿豎向力分別為F4=550 kN、F2=1950 kN，水平反力4#腿為55 kN，2#腿為195 kN。

6）槽身混凝土、普通鋼筋計算采用參數：根據《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008），槽身結構設計用混凝土、普通鋼筋、預應力筋計算參數為：槽身混凝土強度等級C50；槽身混凝土抗拉強度標準值ftk=2.64 MPa；槽身混凝土抗壓強度標準值fck=32.4 MPa；普通鋼筋抗拉強度設計fy=300 MPa。

（3） 結構設計控制標準

依據《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）及《大跨度混凝土渡槽設計技術規范》（T／CWHIDA0013-2020）承載能力極限狀態結構承載力安全系數基本組合下不小于1.20，安全系數偶然組合下不小于1。

槽身正常使用極限狀態應力、撓度容許值見下式：

槽身外壁正截面：

σc-σpc≤0.7γftk=2.376 MPa（當0.7γ≥1 時，取值0.9）

槽身內壁正截面：

槽身正常使用極限狀態豎向撓度應滿足：

式中：σc為在荷載效應短期組合、長期組合下抗裂驗算截面下混凝土邊緣的法向應力，N／mm；σpc為扣除全部預應力損失后在驗算截面下邊緣混凝土的預壓應力，N／mm；f 為槽身豎向撓度，mm。

渡槽第一主應力σtp≤0.85 ftk，第三主應力σcp≤0.7 fck。

2.4 預應力鋼筋混凝土計算

本次預應力鋼筋混凝土計算采用MIDAS Civil 與MIDAS CDN 軟件同步計算，MIDAS Civil 用于建模初步受力分析，MIDAS CDN 用于后期承載力驗算，MIDAS CDN 軟件本身符合《橋涵設計規范》（JTG 3362-2018），其標準相對于《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）較嚴格。

2.5 模型建立

（1）單元建立

渡槽槽端順槽向長度為0.6 m，槽身長度為28.8 m，兩端槽端分別為一個單元，槽身按0.5 m 一個單元（其中包含兩個0.4 m 單元）。見圖2。

圖2 U 形渡槽縱向模型

（2）構建約束

渡槽作用于槽墩之上，槽墩可看做大地支撐，其六個方向固定不變；槽墩與槽身之間采用盆式橡膠支座，可看作為彈性連接；渡槽槽端自身可看做剛性連接。

（3）荷載分布

1）梁單元荷載：欄桿、蓋板、風荷載、水荷載、雪荷載、檢修荷載、材料運輸按照均布荷載集中加載于主梁；

2）槽機過孔：按照集中荷載加載于主梁；

3）預應力荷載：按照預應力設計加載于渡槽底部截面；

4）溫度荷載：溫升、溫將分別加載于梁系單元。

2.6 預應力鋼絞線設置

（1）基本參數

鋼絞線工程面積（φS15.2）140 mm2；鋼絞線抗拉強度標準值fptk=1860MPa；鋼絞線抗拉強度設計值fpy=1395 MPa；鋼絞線彈性模量Es=1.95×105MPa；縱向預應力筋錨下張拉控制應力σcon=0.75×fptk=1395 MPa。

（2）預應力錨束布置

本次設計共布置5 孔8 束φS15.2 的鋼絞線，間距30 cm。鋼絞線位于渡槽底部以上15 cm，波紋管采用內徑為80 mm 的高密度聚乙烯波紋管。根據造槽機施工工藝，單端張拉，鋼絞線為有粘結預應力鋼絞線。見圖3。

圖3 鋼絞線布置簡圖

（3）預應力損失

預應力鋼束計算表見表2。

表2 預應力鋼束計算表

（4）預應力效應

預應力效力見圖4。

圖4 預應力效應簡圖

2.7 結構設計成果

架構應力分布見圖5。

圖5 結構應力分布簡圖

（1）結構應力計算成果見表3～表5。

表3 正常使用狀態跨中截面應力值表 單位：MPa

表4 正常使用極限狀態跨中截面環向應力值表 單位：MPa

續表4

表5 正常使用極限狀態槽端截面環向應力值表 單位：MPa

由表4、表5 可以看出，渡槽截面各點處大部分已壓應力為主，拉應力主要出現在完建期渡槽兩端頂部和校核工況下渡槽跨中底部，其1'、8'各工況渡槽縱向應力分布見圖6～圖7。

圖6 1'位置各工況渡槽縱向應力分布圖

圖7 8'位置各工況渡槽縱向應力分布圖

正常使用極限狀態主應力值見表6。

表6 正常使用極限狀態主應力值表 單位：MPa

3 結論

計算表明，在各個工況下槽體迎水面均未出現拉應力，滿足槽身內壁正截面：σc-σpc≤0 的要求；槽身背水面拉應力最大分別為1.15 MPa，滿足槽身外壁正截面：σc-σpc≤0.7γftk=2..76 MPa 的要求。槽體第一主應力最大值為1.23 MPa，滿足渡槽第一主應力σtp≤0.85 ftk=2.244 MPa；第三主應力最大值為5.65 MPa，滿足第三主應力σcp≤0.6 fck=19.44 MPa。

本次設計同時參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）（以下簡稱《公路》）。《公路》中規定A 類預應力混凝土構件正截面拉應力應滿足：

A 類預應力混凝土構件，現場澆筑構件斜截面主拉應力σtp≤0.5 ftk=1.325 MPa。由此可見，本次渡槽設計也滿足《公路》要求。