浅谈大型渡槽三向预应力槽身的结构设计

□李天群（贵州省水利水电勘测设计研究院）

常见的渡槽的最基本的功能是：输送渠道水流跨越河渠、道路、山林、谷口等；渡槽的基本特征是：架空的输水建筑物，应用最广泛的渠系交叉建筑物；渡槽的基本应用：在灌区，用于输送渠水进行农田灌溉，在城镇，用于输送生活用水和工业用水。长期以来，特别是我国改革开放以后，随着农业、工业及生活用水不断增长，渡槽在过水流量、结构型式、施工方法等方面不断得到发展、改进，输水能力、输水速度、输水质量等也大大得到改善。

1.槽身单向预应力改为三向预应力

采用这些改善方法可以是使企业造价的个别性、差异性的标准化改善得以持续不断地进行。从而使得企业的造价的个别性、差异性作业逐步实现精益化。带拉杆矩形渡槽，采用三向或四向预应力筋布置方案：1)槽壁竖向预应力，槽壁竖向预应力筋主要是承受竖向拉力的。我国自20世纪80年代初引进这一技术，并在市政工程建设管理中加以应用。从理论上讲，采用这一技术后，可提高渡槽截面的抗剪能力，但是，由于其钢筋的长度问题，故宜采用精轧高强螺纹粗钢筋锚固体系，如选用625mm或632mm 高强螺纹钢筋，它具有预应力损失少，锚固简单，安全可靠、施工方便等优点。可在槽壁底部布置连续的预应力直筋，并在槽底板宽度内沿纵向也布置部分通长直筋。

2.槽身预应力筋的布置

U 形渡槽槽壳，采用预应力混凝土结构在国内外并不少见，但断面都较小，大多采用预制吊装施工方法，避免现场浇筑混凝土U 形壳槽的困难。东改工程U 形渡槽具备“高、大、重、薄”四大特点：最大墩高约20m，槽身断面8m×6.9m(宽×高)，12m 跨槽身重约2700kN，24m 跨槽身重约4800kN，壳槽壁厚仅300mm。对于如此特殊的体形和重量，预制吊装方案难度很大，无法实施，只有采用现场浇筑的施工方案较为现实。大型U 形渡槽的现场浇筑要解决槽身结构的抗裂和抗渗问题，虽然理论上增加槽壁厚度可以使常规钢筋混凝土结构满足抗裂要求，但工程实践经验证明，按抗裂设计的常规钢筋混凝土结构都存在裂缝。东改工程对结构的安全性、抗渗性和外观质量都有很高的期望，所以必须研究采用高性能混凝土和高效预应力结构等新材料、新技术和新工艺，以提高渡槽结构的技术性能。而因东改渡槽要求按7 度地震进行抗震设计，为减少槽壁厚度，减轻上部结构质量，提高渡槽整体结构的抗震性能，也只有采用新技术才能做到。

3.槽身结构计算

3.1 槽型的选择

选择渡槽槽身要注意两个方面：一是如果渡槽断面大，排架高，基础桩长，而且还有抗震要求的话，就宜采用轻型结构的渡槽；二是如果对渡槽建筑物设计施工的标准高，而且对其质量和外观，对槽身抗裂、抗渗等方面也有特别要求的话，设计可考虑拟定矩形及U 形两种体型方案。

（1）钢筋混凝土矩形槽身。矩形断面槽身的构造及施工都比较简单，因此，在施工中可以采用整体现浇或分块预制吊装两种方法进行施工。槽身按简支梁型式进行设计施工，然后用板式橡胶支座支承在钻孔桩排架上。为了防止混凝土裂缝，浇筑时，对槽身侧墙、底板加厚，因此，整个槽身自重增大了，钢筋用量也增大了，所以成本提高了。这是矩形槽身的不足之处。

（2）预应力U 形槽身。这种槽身结构为圆柱形，比较单薄，但过水断面的力学条件比矩型槽身要好些。由于槽身壁薄，可采用钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土进行现场浇筑。它的优点还在于，由于槽壁薄，槽身自重较轻，有利于抗震稳定，成本低，施工快，造价低。

3.2 伸缩缝

为了保证渡槽结构在气温变化、混凝土收缩与徐变及荷载作用等影响下能自由地变形，需要在槽身两端之间设置横向的伸缩缝，其作用不仅要保证渡槽能自由伸缩，而且在输水过程中要保证设缝处有很好的防渗性能。因此，渡槽伸缩缝设计中的关键问题，是合理地确定渡槽的伸缩量与防渗伸缩缝的构造。

槽壁厚度不但对其本身的技术经济合理性影响巨大，而且对其预应力效果，下部结构工程量及整体结构的抗震性能等都有很大的影响。从整体结构的受力性能和预应力的效果考虑，槽壁厚度在满足构造要求的前提下应尽可能减薄。但是考虑到现场浇筑施工要求以及输水结构的抗渗性等因素，槽壁厚度也不宜过小。因此，合理选择槽壁厚度是东改渡槽设计的技术难点之一。

3.3 壳槽预应力体系的选择

槽身纵向结构为简支梁，采用后张有粘结预应力体系，单端张拉，体系受力是明确的，施工也不复杂。关键是横向预应力体系的选择，不但要考虑预应力筋的合理布置使横向各截面都具有合适的预应力度，还要考虑预应力筋的布置间距、定位、锚固方式以及张拉工序等对槽壳结构应力和安全的影响。在我国建筑业，经过数十年来的不断实践与完善，预应力混凝土已经成为一门比较成熟的实用技术，尤其在水电工程、房屋工程等得到广泛应用。本文示例的渡槽工程，采用U 形现浇后张无粘结预应力混凝土槽身，以高强钢丝形成高效预应力，结合高性能的预拌混凝土，有效地减薄了槽壁厚度，减轻了渡槽的自身重量，与矩形槽身相比，其经济技术指标具有较大的优势。

3.4 槽身跨度的选择

选择渡槽跨度，就根据实际进行，每座渡槽的具体条件不一样，跨度也就不尽相同，以使槽身结构、下部结构、基础结构、施工工艺等诸多因素的综合指标最优时，此时的跨度选择为最佳。例如：(1)简支梁式渡槽排架高度在10m 以下的槽段，可采用12m 跨度U 形槽身，并在横向施加预应力，下部结构采用钻孔桩排架。(2)简支梁式渡槽排架高度在10m 以上的槽段，可采用24m 跨度U 形槽身，在纵、横双向均施加预应力，为了抵御地震，下部结构采用扁圆空心薄壁墩及群桩基础。

U 形薄壳结构计算理论的验证和整体结构受力性能的检验。U形薄壳渡槽是一个复杂的空间结构体，尽管在理论上已经有了很多精准的研究，但在实际上是难以用结构力学的方法来进行精确计算的。所以在工程界，通常是将壳槽简化为纵、横两个方向分别进行近似计算，纵向按梁理论计算其内力，横向取单位长度槽身按平面问题进行分析。实践证明，这种近似的计算方法，对于中小型渡槽工程是可行的。对于一些大的工程，还有必要进行1：1 仿真模型试验观测和有限元仿真分析等多种手段进行对比验证，以评价利用薄壳结构计算理论进行设计的可靠程度或近似程度。同时利用模型试验段在各工况荷载(包括满槽超载)作用下的结构应力和变形观测结果，检验实际工程整体结构的受力性能和超载能力。

4.结论

以上主要对大型渡槽三向预应力槽身的结构进行了设计。对设置伸缩缝时间的选择非常重要。要求在最低设计温度以及混凝土收缩、徐变全部完成的最有利的组合条件下进行，以便保证在任何情况下橡胶部件中仍有一定的压缩量，使橡胶部件与钢板之间不会出现拉应力。