南水北调中线沙河渡槽空心墩结构分析方法浅析

□申 鲁 □张文峰（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1.概述

南水北调中线沙河渡槽工程全长9.05km，包含梁式渡槽、箱基渡槽、落地槽3种结构型式，其中梁式渡槽长1710m。沙河梁式渡槽单跨跨度为30m，槽身采用U型薄壁结构，下部支撑结构为空心墩，基础采用桩基。

沙河梁式渡槽采用双线四槽布置型式，每条线路布置一排槽墩，每排槽墩支撑两排槽片。每个槽墩承受重量包含两榀槽片自重以及相应槽内水重，最大承重53964kN，承受如此大重量的空心墩台，在国内水利工程建设领域十分罕见。因此，选择合理的空心墩结构分析方法，对渡槽的结构安全十分关键。

2.空心墩结构分析方法

2.1 结构尺寸及计算工况

沙河梁式渡槽下部支撑结构为空心墩，基础采用桩基。空心墩墩帽长22.4m，宽5.6m，高2m；墩身长22m，宽5.6m，两端头为半径2.8m的半圆，墩高5～12m，墩壁厚1m，中间设三道1m厚隔板；墩底承台长23.2m，宽7.6m，高3m。每个墩台下顺槽向设2排灌注桩，每排桩数5根，共10根。空心墩混凝土强度等级为C30，灌注桩混凝土强度等级为C25。空心墩主要结构尺寸见图1。

空心墩承受荷载包括槽重、槽内水重、自重、风荷载等，经分析，确定以下两种工况作为典型工况进行结构分析。

工况1：运行期，槽内设计水深，有风。

工况2：下游落闸，槽内满水，无风。

2.2 传统力学分析法

图1 沙河梁式渡槽槽墩及桩基结构图

空心墩由墩帽、墩身、承台三部分组成，结构分析过程中，将这三部分根据各自受力特点分别进行简化计算，求出各部分的结构内力或应力。

2.2.1 墩帽

空心墩的墩帽，属周边支撑的厚板，计算中可将墩帽简化成支撑在墩壁上的双向板。墩帽承受的荷载主要是支座部位的压力，支座压力经垫石扩散传递后，可以看成作用在墩帽上的均布荷载。墩帽的实际支撑型式介于固定与简支之间，计算中分别按板四边固定和四边简支两种型式计算板中和支座部位的弯矩。

根据以上分析，将墩帽简化成四边支撑承受均布荷载的双向板，按《建筑结构静力计算手册》中板的内力计算表格计算墩帽各部位的弯矩。墩帽各部位弯矩计算成果见表1～表2。

根据表中计算成果，选取两种支撑型式下板中和支座部位弯矩的大值作为控制弯矩进行结构配筋计算。

表1 四边固支条件下墩帽弯矩计算成果表

表2 四边简支条件下墩帽弯矩计算成果表

2.2.2 墩身

墩身承受的荷载主要为竖向力、风荷载、墩身与墩帽、承台接触部位的固端干扰应力等，可按偏心受压构件计算墩身截面应力，计算采用《铁路工程设计技术手册—桥梁墩台》中推荐公式。

墩身截面应力计算成果见表3。

表3 墩身截面应力计算成果表

根据表中计算成果，墩身截面未出现拉应力，最大压应力1.746 MPa，远小于墩身混凝土抗压强度，墩身截面可按构造配筋。

2.2.3 承台

承台可以看成由两排桩支撑的单向板，顶面承受由墩身传递下来的压力。将墩身压力作为均布荷载，桩顶反力作为集中力，向下的压力和向上的反力平衡，采用截面法计算承台内力。

承台弯矩计算成果见表4。

表4 承台弯矩计算成果表

2.3 三维有限元分析法

采用上述分析方法可以较清楚地计算出空心墩各部位的内力或应力，从而进行配筋计算。为了进一步验证上述分析方法的合理性和可靠性，以下采用三维有限元法对空心墩进行结构应力分析。

2.3.1 计算模型及边界条件

沙河渡槽空心墩墩身高度5～11m，计算选取位于河槽中间，墩身高度为11m的墩台建立实体有限元模型。计算程序采用大型通用有限元分析软件ANSYS，墩台采用SOLID45实体单元模拟，约束型式采用将桩位处作为固端约束。

2.3.2 计算工况及计算成果

有限元复核选取下游落闸，槽内满水，无风工况。

有限元计算成果见表5。

表5 空心墩应力计算成果表

2.4 两种方法成果对比分析

根据有限元计算成果，墩帽横槽向及顺槽向最大拉应力均出现在跨中，分别按跨中弯矩和截面应力图进行墩帽配筋计算，对比二者计算成果可知，按弯矩计算配筋量略大于按应力图计算配筋量，由此可见将墩帽简化成双向板进行内力计算是可行的，且计算成果偏于安全。

两种方法计算成果显示，墩身基本处于受压状态，按偏心受压构件计算，墩身不出现拉应力，根据有限元计算成果，墩身局部存在拉应力（位于墩帽与墩身交接部位），但拉应力值小于墩身混凝土抗拉强度设计值，墩身截面可按构造配筋。

根据有限元计算成果，承台最大拉应力出现在两排桩中间，由此可见，将承台看成由两排桩支撑的单向板，采用截面法计算承台内力，根据内力进行配筋计算是可行的。由于承台横槽向最大拉应力略小于顺槽向，可将承台横槽向配筋取与顺槽向相同。

3.结论及建议

3.1 采用传统力学方法进行沙河渡槽下部空心墩受力分析时，可将墩帽、墩身、承台三部分分别简化成双向板、偏心受压柱以及由两排桩支撑的单向板，计算各部分的结构内力或应力。

3.2 根据与有限元计算成果对比可以看出，采用以上方法计算的成果合理可靠，该方法可以应用于工程设计。

3.3 对于沙河渡槽这种承受大吨位荷载的空心墩结构，采用有限元复核是必要的，有限元计算成果显示，在墩帽与墩身接触部位局部存在拉应力，对于这种情况可采用局部增大配筋或在墩帽与墩身接触部位设置过渡段的方式解决。

[1]翟渊军，朱太山，等.南水北调中线一期工程总干渠沙河南～黄河南沙河渡槽工程招标设计报告[R].郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，2009.

[2]建筑结构静力计算手册编写组.建筑结构静力计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1975.

[3]铁道部第四勘测设计院.铁路工程设计技术手册—桥梁墩台[M].北京：中国铁道出版社，1997.

[4]钮新强，汪基伟，等.水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2008.