乐滩水库引水灌区一期工程北干渠上料渡槽结构设计及计算分析

董蔷薇

【摘 要】上料渡槽是桂中乐滩水库引水灌区一期工程实施的第一座预应力渡槽，跨度为24 m，采用薄壳“U”形结构，加大输水流量为21.31 m3/s。鉴于上料渡槽跨度大、横向宽、结构单薄、输水流量大等特点，需对上料渡槽进行结构研究，确保结构安全。文章采用迈达斯有限元软件进行渡槽空间实体单元结构计算，CIVIL桥梁有限元软件计算渡槽的纵向配筋与fea实体单元有限元软件计算渡槽的横向配筋，最终确定预应力渡槽结构尺寸、预应力钢束布置数量和位置、渡槽端肋及槽身普通钢筋配筋大小，服务于工程。

【关键词】预应力“U”形渡槽；纵向预应力结构计算；横向结构计算；乐滩水库引水灌区

【中图分类号】TV314 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）02-0104-03

1 工程概况

广西桂中治旱乐滩水库引水灌区设计灌溉面积为8.59万hm2（128.8万亩）。灌区工程分一期、二期工程，一期工程包括总干渠及北干渠，设计灌溉面积为3.65万hm2（54.7万亩），设计概算总投资约26.5亿元。二期工程包括南干渠、迁江分支渠及石陵分支渠，设计灌溉面积为4.94万hm2（74.1万亩），设计概算总投资近40亿元。北干渠从龙马林场始，经合山市后在上雷处进入长隧洞，在屯武附近接明渠，然后经良塘、城厢等乡镇，至正龙乡略蒙水库止，总长56.56 km。北干渠共布置有19座渡槽，其中包括跨北之江的上料渡槽，北干渠所有渡槽的总长8 263 m。

上料预应力渡槽为北干渠上料渡槽的一跨24 m预应力渡槽。位于北干渠桩号B33+243.024 m处，与来宾至思练公路交叉穿越，设计流量为17.05 m3/s，加大流量为21.31 m3/s。上料渡槽采用“U”形断面，设计纵坡i=1/4 000，圆弧半径为2.5 m，设计水深为2.97 m，加大水深为3.44 m，槽身高度为4.35 m，渡槽左侧顶部设人行桥，宽为1.36 m。布置如图1所示。

上料渡槽是桂中乐滩水库引水灌区一期工程实施的第一座预应力渡槽，跨度为24 m，采用薄壳“U”形结构。鉴于上料渡槽跨度大、横向宽、结构单薄、输水流量大等特点，需对上料渡槽进行结构研究，确保结构安全。

2 计算条件和方法

上料渡槽24 m跨预应力槽段进行有限元分析。采用迈达斯CIVIL有限元软件对渡槽沿水流方向的纵梁进行结构计算，迈达斯fea有限元软件对渡槽垂直水流方向横向进行普通钢筋配筋计算。计算时采用的單位为s（时间）、kg（质量）、kN（力）、m（长度）。

2.1 计算条件

构件类型：A类部分预应力；设计安全等级：一级；构件制作方法：现浇；预应力张拉形式：后张法。

2.2 计算假定及边界条件

（1）温变场对混凝土结构的裂缝影响很大，需考虑温度场对结构的影响。

（2）栏杆及拉杆在模拟时直接加均布荷载。拉杆作用作为结构安全储备。

（3）渡槽支座处采用简支约束。

2.3 计算荷载

结构自重：93.75 kN/m；端肋自重：7.88 kN/m；栏杆重：1.19 kN/m；拉杆重：4.06 kN/m；人行板重：2.34 kN/m；人群荷载计算：2.72 kN/m；加大水深水重：141.92 kN/m；温度荷载：采用梯度荷载，侧槽内外水温差为9 ℃（外高内低），底槽内外水温差为5 ℃（外高内低）；张拉控制应力允许值：0.75×1 860=1 395 MPa。

2.4 纵向预应力钢筋计算

迈达斯CIVIL有限元软件计算理论为空间杆系有限单元法，利用软件PSC设计验证功能验算预加的钢束需要满足规范要求。通过取上料渡槽23.96 m预应力渡槽混凝土整体结构作为计算对象，梁单元10个；节点数量：11个；钢束数量：6孔道58束；边界条件数量：2个；施工阶段：1个。有限元计算模型如图2所示。

2.5 横向结构计算

因CIVIL属于杆系有限元软件不能模拟实体单元，故采用迈达斯fea实体单元有限元计算软件进行上料渡槽24 m预应力槽段的结构计算。取23.96 m预应力渡槽槽身作为有限元计算对象。具体单元划分情况如图3所示。

3 结构有限元计算分析

计算结果采用“双规范”（即水利部门的规范及交通部门的规范）控制。对于纵向计算，因交通部门的规范相对于水利部门更为严格，施工阶段法向压应力验算、受拉区钢筋的拉应力验算、使用阶段正截面抗裂验算、使用阶段斜截面抗裂验算、预应力混凝土构件使用阶段正截面抗裂验算、预应力混凝土构件使用阶段斜截面抗裂验算、预应力混凝土构件使用阶段抗扭验算等均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）要求。横向配筋计算采用水利部门规范，满足《水工混凝土结构设计规范》（SL 191—2008）的相关要求，采用应力图形面积配筋法与按裂缝宽度控制计算配筋法双控制法，选结果较大为最后计算方法。

3.1 纵向预应力钢筋计算结果

预应力钢束总共6束Φs15 mm的预应力钢绞线，上部加大部分两侧各采用1孔道7束Φs15.2 mm直线预应力钢绞线；底板采用4孔道44束Φs15 mm直线预应力钢绞线。

普通钢筋分为2种，纵向钢筋采用直径为25 mm的HRB400钢筋，间距为100 mm。抗剪箍筋采用2肢直径为16 mm的HRB 400钢筋。

3.2 横向结构计算

上料渡槽“U”形断面横向计算选用4个断面：跨中及边跨、端肋及拉杆。建立有限元模型时，采用精细划分网格，自直段与圆弧交接面往下每隔15°划分一个断面，用此断面进行配筋计算。经过计算发现，在端肋及槽身90°断面及45°断面应力较大，配筋也大，端肋45°法向应力最大，配筋亦最大。拉杆网格与槽身网格共节点。端肋网格划分如图4所示，槽身网格划分如图5所示。

渡槽横向配筋计算包括跨中、边跨、端肋和拉杆配筋计算，采用应力图形面积配筋法与按裂缝宽度控制计算配筋法，计算结构取2种方法中较大的结果。具体计算配筋结果见表1。

4 结论及建议

（1）采用MIDAS/Civil软件进行渡槽纵向预应力钢筋设计时，因交通部门的规范相对于水利部门更为严格，为确保重要结构安全运行，故结构验算指标遵守交通部门的规范要求。

（2）采用MIDAS/FEA有限元软件进行渡槽横向结构计算时，考虑温度荷载的作用，对计算断面进行单元细化，从而获取每个断面的应力面积，使三维实体单元有限元模型不仅能分析结构的位移变形、应力应变分布趋势，也能方便常规的配筋计算，获取准确的配筋计算成果。

（3）进一步验证了采用迈达斯CIVIL有限元软件进行渡槽沿水流方向的预应力钢束设计与迈达斯fea有限元软件进行渡槽垂直水流方向的结构计算相结合的计算方法，能够全面地研究预应力渡槽纵向及横向的应力变形问题，准确地拟定预应力渡槽结构布置形式、成果及普通钢筋配筋成果。

参 考 文 献

[1]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，2000.

[2]北京迈达斯技术有限公司.MIDAS Civil 02.Advanced Applications[M].北京：北京迈达斯技术有限公司，

2007.

[3]北京迈达斯技术有限公司.MIDAS分析与设计原理[M].北京：北京迈达斯技术有限公司，2010.

[4]广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院.广西桂中治旱乐滩水库引水灌区工程项目建议书（修订本）[Z].2007.

[5]JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[6]SL 191—2008，水工混凝土结构设计规范[S].