预应力U 型薄壳渡槽槽身结构设计分析

王 沛

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

水利工程多处于深沟高垒之中，通过隧洞、渠道及渡槽等输水建筑物向平原城镇地区进行城市供水，线路跨越复杂地形或天然河道时多以渡槽或倒虹吸形式布设，考虑到倒虹吸在施工期对地形的扰动、后期运行、检修等不利因素，大跨度预应力渡槽可有效避开不利地形。本次选取西安市李家河水库输水总干渠复线工程30 m 跨径预应力U 型薄壳渡槽进行定性、定量分析论证。

1 工程概况

西安市李家河水库黄土岭分水闸～将军岭分水闸总干渠建于1989 年，原工程任务为灌溉，2015 年将其改造后作为水李家河水库工程供水总干渠的一部分。李家河复线工程位于原总干渠的右侧，起点位于黄土岭分水闸处，终点位于将军岭分水闸，全长7.707 km，主要建筑物由隧洞、渡槽、箱涵和起点水闸、末点汇流池组成。

2 U 型渡槽结构设计

2.1 槽身结构布置

李家河复线工程共设5 座渡槽，总长度1.35 km，本次渡槽的论证流量4.15 m3／s，渡槽级别为3 级建筑物，设计纵坡1／1129.64，U型断面结构尺寸为：弧内半径1.25 m，净高为1.8 m。侧槽壁厚0.25 m，弧底壁厚0.4 m，顶部设拉杆，间距2 m。渡槽计算跨度为30 m，实际跨度扣除伸缩缝后为29.96 m，见图1。

图1 U 形渡槽断面设计（尺寸单位：cm）

2.2 槽身主要材料及相关参数

（1）主要材料

渡槽上部结构采用C50 混凝土，预应力钢绞线公称直径Φs15.2 mm。

（2）主要材料强度及应力（见表1）

表1 主要材料强度、应力表 单位：MPa

（3）相关参数

预应力钢筋松弛系数为0.3；

管道摩阻系数 =0.3；

偏差系数K=0.0015；

一端锚具变形引起的钢束回缩量为6 mm。

2.3 结构设计工况、荷载、计算参数及结构设计控制标准

（1）工况组合

李家河复线渡槽施工期由造槽机一次浇筑成型，完建期将承受自重、盖板、栏杆及预应力荷载作用；检修期承受检修荷载；正常运行期还将承受水荷载。槽内水与外界气温还存在温差，夏季槽内水温低、外界气温高，冬季槽内水温高、外界气温低；偶然情况下，有可能出现槽内壅水，即满槽蓄水（可认为水压力为静力）；施工期造槽机利用槽身过孔，其槽机荷载将不对称的加载在渡槽腹板上；施工期渡槽还将承担人工拆模及钢材拉运等施工荷载。结构工况设计如下。

1）基本组合：

工况一（完建期）：自重＋栏杆＋盖板＋预应力；

工况二（槽机过孔）：工况一＋槽机过孔＋风荷载；

工况三（施工期）：工况一＋材料运输＋风荷载。

2）偶然组合：

工况四（检修期）：工况一＋风荷载＋检修荷载；

工况五（运行期-夏季）：工况一＋设计水重＋夏季升温＋人群荷载＋风荷载；

工况六（运行期-冬季）：工况一＋设计水重＋冬季降温＋雪荷载＋人群荷载＋风荷载；

工况七（满槽）：工况一＋满槽水重＋风荷载＋冬季降温+雪+人群荷载。

（2）荷载及计算参数

1）槽身自重、水重、栏杆、盖板、人群荷载及检修荷载：槽身混凝土容重为25 kN／m3，水容重为10 kN／m3，设计水深1.37 m，满槽水深1.8 m。人群荷载为2.5 kN／m2，检修荷载为10 kN／m，材料运输荷载为4 kN／m，C50 混凝土弹性模量Es=3.45×104MPa，泊松比0.167。

2）渡槽温度边界条件按稳态考虑，温差宜取多年月平均最高或最低气温与水温之差。渡槽槽内水温参考相关资料确定。气温则采用蓝田县气象站统计资料，夏季大气多年最高月平均温度为七月26.6℃，冬季大气多年最低月平均温度为一月-1.23℃。槽内水温夏季采用20℃，冬季采用2℃。根据上述温度渡槽结构设计时槽内外温差夏季温升采用6.6℃；冬季温降采用3.23℃。槽身混凝土线热胀系数7×10-6，导热系数10.6 kJ／（m・h・℃），比热0.96 kJ／（kg・℃），导温系数0.0045 m2／h。

3）风荷载：垂直于槽身表面上的风荷载标准值按下式计算∶

式中：k为风荷载标准值；βz为高度z 处的风振系数，取值1.54；s为风荷载体形系数，取1.3；z为风压高度变化系数，取1.71；0为基本风压，参照《建筑结构荷载设计规范》（GB 50009-2012）全国基本风压图，取0.36 kN／m2。

4）雪荷载：渡槽完建期后，顶面宽度为3.6 m。雪荷载按下式计算：

式中：S 为雪荷载，kN／m2；r为建筑物顶面积雪分布系数，取值为1；S0为雪压，0.32 kN／m2。

5）槽机过孔：根据造槽机过孔原理，槽机的1#、3#支腿位于槽墩上，槽机2#、4#支腿位于槽身上，槽机4#支腿位于渡槽7.5 m 处，产生的弯矩最大，此时槽机支腿可看做集中力作用，4#腿、2#腿竖向力分别为F4=550 kN、F2=1950 kN，水平反力4#腿为55 kN，2#腿为195 kN。

6）槽身混凝土、普通钢筋计算采用参数：根据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008），槽身结构设计用混凝土、普通钢筋、预应力筋计算参数为：槽身混凝土强度等级C50；槽身混凝土抗拉强度标准值ftk=2.64 MPa；槽身混凝土抗压强度标准值fck=32.4 MPa；普通钢筋抗拉强度设计fy=300 MPa。

（3） 结构设计控制标准

依据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）及《大跨度混凝土渡槽设计技术规范》（T／CWHIDA0013-2020）承载能力极限状态结构承载力安全系数基本组合下不小于1.20，安全系数偶然组合下不小于1。

槽身正常使用极限状态应力、挠度容许值见下式：

槽身外壁正截面：

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

槽身内壁正截面：

槽身正常使用极限状态竖向挠度应满足：

式中：σc为在荷载效应短期组合、长期组合下抗裂验算截面下混凝土边缘的法向应力，N／mm；σpc为扣除全部预应力损失后在验算截面下边缘混凝土的预压应力，N／mm；f 为槽身竖向挠度，mm。

渡槽第一主应力σtp≤0.85 ftk，第三主应力σcp≤0.7 fck。

2.4 预应力钢筋混凝土计算

本次预应力钢筋混凝土计算采用MIDAS Civil 与MIDAS CDN 软件同步计算，MIDAS Civil 用于建模初步受力分析，MIDAS CDN 用于后期承载力验算，MIDAS CDN 软件本身符合《桥涵设计规范》（JTG 3362-2018），其标准相对于《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）较严格。

2.5 模型建立

（1）单元建立

渡槽槽端顺槽向长度为0.6 m，槽身长度为28.8 m，两端槽端分别为一个单元，槽身按0.5 m 一个单元（其中包含两个0.4 m 单元）。见图2。

图2 U 形渡槽纵向模型

（2）构建约束

渡槽作用于槽墩之上，槽墩可看做大地支撑，其六个方向固定不变；槽墩与槽身之间采用盆式橡胶支座，可看作为弹性连接；渡槽槽端自身可看做刚性连接。

（3）荷载分布

1）梁单元荷载：栏杆、盖板、风荷载、水荷载、雪荷载、检修荷载、材料运输按照均布荷载集中加载于主梁；

2）槽机过孔：按照集中荷载加载于主梁；

3）预应力荷载：按照预应力设计加载于渡槽底部截面；

4）温度荷载：温升、温将分别加载于梁系单元。

2.6 预应力钢绞线设置

（1）基本参数

钢绞线工程面积（φS15.2）140 mm2；钢绞线抗拉强度标准值fptk=1860MPa；钢绞线抗拉强度设计值fpy=1395 MPa；钢绞线弹性模量Es=1.95×105MPa；纵向预应力筋锚下张拉控制应力σcon=0.75×fptk=1395 MPa。

（2）预应力锚束布置

本次设计共布置5 孔8 束φS15.2 的钢绞线，间距30 cm。钢绞线位于渡槽底部以上15 cm，波纹管采用内径为80 mm 的高密度聚乙烯波纹管。根据造槽机施工工艺，单端张拉，钢绞线为有粘结预应力钢绞线。见图3。

图3 钢绞线布置简图

（3）预应力损失

预应力钢束计算表见表2。

表2 预应力钢束计算表

（4）预应力效应

预应力效力见图4。

图4 预应力效应简图

2.7 结构设计成果

架构应力分布见图5。

图5 结构应力分布简图

（1）结构应力计算成果见表3～表5。

表3 正常使用状态跨中截面应力值表 单位：MPa

表4 正常使用极限状态跨中截面环向应力值表 单位：MPa

续表4

表5 正常使用极限状态槽端截面环向应力值表 单位：MPa

由表4、表5 可以看出，渡槽截面各点处大部分已压应力为主，拉应力主要出现在完建期渡槽两端顶部和校核工况下渡槽跨中底部，其1'、8'各工况渡槽纵向应力分布见图6～图7。

图6 1'位置各工况渡槽纵向应力分布图

图7 8'位置各工况渡槽纵向应力分布图

正常使用极限状态主应力值见表6。

表6 正常使用极限状态主应力值表 单位：MPa

3 结论

计算表明，在各个工况下槽体迎水面均未出现拉应力，满足槽身内壁正截面：σc-σpc≤0 的要求；槽身背水面拉应力最大分别为1.15 MPa，满足槽身外壁正截面：σc-σpc≤0.7γftk=2..76 MPa 的要求。槽体第一主应力最大值为1.23 MPa，满足渡槽第一主应力σtp≤0.85 ftk=2.244 MPa；第三主应力最大值为5.65 MPa，满足第三主应力σcp≤0.6 fck=19.44 MPa。

本次设计同时参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）（以下简称《公路》）。《公路》中规定A 类预应力混凝土构件正截面拉应力应满足：

A 类预应力混凝土构件，现场浇筑构件斜截面主拉应力σtp≤0.5 ftk=1.325 MPa。由此可见，本次渡槽设计也满足《公路》要求。