□申 魯 □張文峰（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司）

1.概述

南水北調(diào)中線沙河渡槽工程全長9.05km，包含梁式渡槽、箱基渡槽、落地槽3種結(jié)構(gòu)型式，其中梁式渡槽長1710m。沙河梁式渡槽單跨跨度為30m，槽身采用U型薄壁結(jié)構(gòu)，下部支撐結(jié)構(gòu)為空心墩，基礎(chǔ)采用樁基。

沙河梁式渡槽采用雙線四槽布置型式，每條線路布置一排槽墩，每排槽墩支撐兩排槽片。每個槽墩承受重量包含兩榀槽片自重以及相應(yīng)槽內(nèi)水重，最大承重53964kN，承受如此大重量的空心墩臺，在國內(nèi)水利工程建設(shè)領(lǐng)域十分罕見。因此，選擇合理的空心墩結(jié)構(gòu)分析方法，對渡槽的結(jié)構(gòu)安全十分關(guān)鍵。

2.空心墩結(jié)構(gòu)分析方法

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸及計算工況

沙河梁式渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)為空心墩，基礎(chǔ)采用樁基?？招亩斩彰遍L22.4m，寬5.6m，高2m；墩身長22m，寬5.6m，兩端頭為半徑2.8m的半圓，墩高5～12m，墩壁厚1m，中間設(shè)三道1m厚隔板；墩底承臺長23.2m，寬7.6m，高3m。每個墩臺下順槽向設(shè)2排灌注樁，每排樁數(shù)5根，共10根。空心墩混凝土強度等級為C30，灌注樁混凝土強度等級為C25?？招亩罩饕Y(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

空心墩承受荷載包括槽重、槽內(nèi)水重、自重、風(fēng)荷載等，經(jīng)分析，確定以下兩種工況作為典型工況進行結(jié)構(gòu)分析。

工況1：運行期，槽內(nèi)設(shè)計水深，有風(fēng)。

工況2：下游落閘，槽內(nèi)滿水，無風(fēng)。

2.2 傳統(tǒng)力學(xué)分析法

圖1 沙河梁式渡槽槽墩及樁基結(jié)構(gòu)圖

空心墩由墩帽、墩身、承臺三部分組成，結(jié)構(gòu)分析過程中，將這三部分根據(jù)各自受力特點分別進行簡化計算，求出各部分的結(jié)構(gòu)內(nèi)力或應(yīng)力。

2.2.1 墩帽

空心墩的墩帽，屬周邊支撐的厚板，計算中可將墩帽簡化成支撐在墩壁上的雙向板。墩帽承受的荷載主要是支座部位的壓力，支座壓力經(jīng)墊石擴散傳遞后，可以看成作用在墩帽上的均布荷載。墩帽的實際支撐型式介于固定與簡支之間，計算中分別按板四邊固定和四邊簡支兩種型式計算板中和支座部位的彎矩。

根據(jù)以上分析，將墩帽簡化成四邊支撐承受均布荷載的雙向板，按《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》中板的內(nèi)力計算表格計算墩帽各部位的彎矩。墩帽各部位彎矩計算成果見表1～表2。

根據(jù)表中計算成果，選取兩種支撐型式下板中和支座部位彎矩的大值作為控制彎矩進行結(jié)構(gòu)配筋計算。

表1 四邊固支條件下墩帽彎矩計算成果表

表2 四邊簡支條件下墩帽彎矩計算成果表

2.2.2 墩身

墩身承受的荷載主要為豎向力、風(fēng)荷載、墩身與墩帽、承臺接觸部位的固端干擾應(yīng)力等，可按偏心受壓構(gòu)件計算墩身截面應(yīng)力，計算采用《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊—橋梁墩臺》中推薦公式。

墩身截面應(yīng)力計算成果見表3。

表3 墩身截面應(yīng)力計算成果表

根據(jù)表中計算成果，墩身截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力1.746 MPa，遠(yuǎn)小于墩身混凝土抗壓強度，墩身截面可按構(gòu)造配筋。

2.2.3 承臺

承臺可以看成由兩排樁支撐的單向板，頂面承受由墩身傳遞下來的壓力。將墩身壓力作為均布荷載，樁頂反力作為集中力，向下的壓力和向上的反力平衡，采用截面法計算承臺內(nèi)力。

承臺彎矩計算成果見表4。

表4 承臺彎矩計算成果表

2.3 三維有限元分析法

采用上述分析方法可以較清楚地計算出空心墩各部位的內(nèi)力或應(yīng)力，從而進行配筋計算。為了進一步驗證上述分析方法的合理性和可靠性，以下采用三維有限元法對空心墩進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

2.3.1 計算模型及邊界條件

沙河渡槽空心墩墩身高度5～11m，計算選取位于河槽中間，墩身高度為11m的墩臺建立實體有限元模型。計算程序采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，墩臺采用SOLID45實體單元模擬，約束型式采用將樁位處作為固端約束。

2.3.2 計算工況及計算成果

有限元復(fù)核選取下游落閘，槽內(nèi)滿水，無風(fēng)工況。

有限元計算成果見表5。

表5 空心墩應(yīng)力計算成果表

2.4 兩種方法成果對比分析

根據(jù)有限元計算成果，墩帽橫槽向及順槽向最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在跨中，分別按跨中彎矩和截面應(yīng)力圖進行墩帽配筋計算，對比二者計算成果可知，按彎矩計算配筋量略大于按應(yīng)力圖計算配筋量，由此可見將墩帽簡化成雙向板進行內(nèi)力計算是可行的，且計算成果偏于安全。

兩種方法計算成果顯示，墩身基本處于受壓狀態(tài)，按偏心受壓構(gòu)件計算，墩身不出現(xiàn)拉應(yīng)力，根據(jù)有限元計算成果，墩身局部存在拉應(yīng)力（位于墩帽與墩身交接部位），但拉應(yīng)力值小于墩身混凝土抗拉強度設(shè)計值，墩身截面可按構(gòu)造配筋。

根據(jù)有限元計算成果，承臺最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在兩排樁中間，由此可見，將承臺看成由兩排樁支撐的單向板，采用截面法計算承臺內(nèi)力，根據(jù)內(nèi)力進行配筋計算是可行的。由于承臺橫槽向最大拉應(yīng)力略小于順槽向，可將承臺橫槽向配筋取與順槽向相同。

3.結(jié)論及建議

3.1 采用傳統(tǒng)力學(xué)方法進行沙河渡槽下部空心墩受力分析時，可將墩帽、墩身、承臺三部分分別簡化成雙向板、偏心受壓柱以及由兩排樁支撐的單向板，計算各部分的結(jié)構(gòu)內(nèi)力或應(yīng)力。

3.2 根據(jù)與有限元計算成果對比可以看出，采用以上方法計算的成果合理可靠，該方法可以應(yīng)用于工程設(shè)計。

3.3 對于沙河渡槽這種承受大噸位荷載的空心墩結(jié)構(gòu)，采用有限元復(fù)核是必要的，有限元計算成果顯示，在墩帽與墩身接觸部位局部存在拉應(yīng)力，對于這種情況可采用局部增大配筋或在墩帽與墩身接觸部位設(shè)置過渡段的方式解決。

[1]翟淵軍，朱太山，等.南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河南～黃河南沙河渡槽工程招標(biāo)設(shè)計報告[R].鄭州：河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，2009.

[2]建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊編寫組.建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1975.

[3]鐵道部第四勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊—橋梁墩臺[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[4]鈕新強，汪基偉，等.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2008.