董薔薇

【摘 要】上料渡槽是桂中樂灘水庫引水灌區(qū)一期工程實施的第一座預(yù)應(yīng)力渡槽，跨度為24 m，采用薄殼“U”形結(jié)構(gòu)，加大輸水流量為21.31 m3/s。鑒于上料渡槽跨度大、橫向?qū)挕⒔Y(jié)構(gòu)單薄、輸水流量大等特點，需對上料渡槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究，確保結(jié)構(gòu)安全。文章采用邁達(dá)斯有限元軟件進(jìn)行渡槽空間實體單元結(jié)構(gòu)計算，CIVIL橋梁有限元軟件計算渡槽的縱向配筋與fea實體單元有限元軟件計算渡槽的橫向配筋，最終確定預(yù)應(yīng)力渡槽結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力鋼束布置數(shù)量和位置、渡槽端肋及槽身普通鋼筋配筋大小，服務(wù)于工程。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力“U”形渡槽；縱向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)計算；橫向結(jié)構(gòu)計算；樂灘水庫引水灌區(qū)

【中圖分類號】TV314 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）02-0104-03

1 工程概況

廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)設(shè)計灌溉面積為8.59萬hm2（128.8萬畝）。灌區(qū)工程分一期、二期工程，一期工程包括總干渠及北干渠，設(shè)計灌溉面積為3.65萬hm2（54.7萬畝），設(shè)計概算總投資約26.5億元。二期工程包括南干渠、遷江分支渠及石陵分支渠，設(shè)計灌溉面積為4.94萬hm2（74.1萬畝），設(shè)計概算總投資近40億元。北干渠從龍馬林場始，經(jīng)合山市后在上雷處進(jìn)入長隧洞，在屯武附近接明渠，然后經(jīng)良塘、城廂等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，至正龍鄉(xiāng)略蒙水庫止，總長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，北干渠所有渡槽的總長8 263 m。

上料預(yù)應(yīng)力渡槽為北干渠上料渡槽的一跨24 m預(yù)應(yīng)力渡槽。位于北干渠樁號B33+243.024 m處，與來賓至思練公路交叉穿越，設(shè)計流量為17.05 m3/s，加大流量為21.31 m3/s。上料渡槽采用“U”形斷面，設(shè)計縱坡i=1/4 000，圓弧半徑為2.5 m，設(shè)計水深為2.97 m，加大水深為3.44 m，槽身高度為4.35 m，渡槽左側(cè)頂部設(shè)人行橋，寬為1.36 m。布置如圖1所示。

上料渡槽是桂中樂灘水庫引水灌區(qū)一期工程實施的第一座預(yù)應(yīng)力渡槽，跨度為24 m，采用薄殼“U”形結(jié)構(gòu)。鑒于上料渡槽跨度大、橫向?qū)挕⒔Y(jié)構(gòu)單薄、輸水流量大等特點，需對上料渡槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究，確保結(jié)構(gòu)安全。

2 計算條件和方法

上料渡槽24 m跨預(yù)應(yīng)力槽段進(jìn)行有限元分析。采用邁達(dá)斯CIVIL有限元軟件對渡槽沿水流方向的縱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，邁達(dá)斯fea有限元軟件對渡槽垂直水流方向橫向進(jìn)行普通鋼筋配筋計算。計算時采用的單位為s（時間）、kg（質(zhì)量）、kN（力）、m（長度）。

2.1 計算條件

構(gòu)件類型：A類部分預(yù)應(yīng)力；設(shè)計安全等級：一級；構(gòu)件制作方法：現(xiàn)澆；預(yù)應(yīng)力張拉形式：后張法。

2.2 計算假定及邊界條件

（1）溫變場對混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫影響很大，需考慮溫度場對結(jié)構(gòu)的影響。

（2）欄桿及拉桿在模擬時直接加均布荷載。拉桿作用作為結(jié)構(gòu)安全儲備。

（3）渡槽支座處采用簡支約束。

2.3 計算荷載

結(jié)構(gòu)自重：93.75 kN/m；端肋自重：7.88 kN/m；欄桿重：1.19 kN/m；拉桿重：4.06 kN/m；人行板重：2.34 kN/m；人群荷載計算：2.72 kN/m；加大水深水重：141.92 kN/m；溫度荷載：采用梯度荷載，側(cè)槽內(nèi)外水溫差為9 ℃（外高內(nèi)低），底槽內(nèi)外水溫差為5 ℃（外高內(nèi)低）；張拉控制應(yīng)力允許值：0.75×1 860=1 395 MPa。

2.4 縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋計算

邁達(dá)斯CIVIL有限元軟件計算理論為空間桿系有限單元法，利用軟件PSC設(shè)計驗證功能驗算預(yù)加的鋼束需要滿足規(guī)范要求。通過取上料渡槽23.96 m預(yù)應(yīng)力渡槽混凝土整體結(jié)構(gòu)作為計算對象，梁單元10個；節(jié)點數(shù)量：11個；鋼束數(shù)量：6孔道58束；邊界條件數(shù)量：2個；施工階段：1個。有限元計算模型如圖2所示。

2.5 橫向結(jié)構(gòu)計算

因CIVIL屬于桿系有限元軟件不能模擬實體單元，故采用邁達(dá)斯fea實體單元有限元計算軟件進(jìn)行上料渡槽24 m預(yù)應(yīng)力槽段的結(jié)構(gòu)計算。取23.96 m預(yù)應(yīng)力渡槽槽身作為有限元計算對象。具體單元劃分情況如圖3所示。

3 結(jié)構(gòu)有限元計算分析

計算結(jié)果采用“雙規(guī)范”（即水利部門的規(guī)范及交通部門的規(guī)范）控制。對于縱向計算，因交通部門的規(guī)范相對于水利部門更為嚴(yán)格，施工階段法向壓應(yīng)力驗算、受拉區(qū)鋼筋的拉應(yīng)力驗算、使用階段正截面抗裂驗算、使用階段斜截面抗裂驗算、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件使用階段正截面抗裂驗算、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件使用階段斜截面抗裂驗算、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件使用階段抗扭驗算等均滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）要求。橫向配筋計算采用水利部門規(guī)范，滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL 191—2008）的相關(guān)要求，采用應(yīng)力圖形面積配筋法與按裂縫寬度控制計算配筋法雙控制法，選結(jié)果較大為最后計算方法。

3.1 縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋計算結(jié)果

預(yù)應(yīng)力鋼束總共6束Φs15 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，上部加大部分兩側(cè)各采用1孔道7束Φs15.2 mm直線預(yù)應(yīng)力鋼絞線；底板采用4孔道44束Φs15 mm直線預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

普通鋼筋分為2種，縱向鋼筋采用直徑為25 mm的HRB400鋼筋，間距為100 mm?？辜艄拷畈捎?肢直徑為16 mm的HRB 400鋼筋。

3.2 橫向結(jié)構(gòu)計算

上料渡槽“U”形斷面橫向計算選用4個斷面：跨中及邊跨、端肋及拉桿。建立有限元模型時，采用精細(xì)劃分網(wǎng)格，自直段與圓弧交接面往下每隔15°劃分一個斷面，用此斷面進(jìn)行配筋計算。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，在端肋及槽身90°斷面及45°斷面應(yīng)力較大，配筋也大，端肋45°法向應(yīng)力最大，配筋亦最大。拉桿網(wǎng)格與槽身網(wǎng)格共節(jié)點。端肋網(wǎng)格劃分如圖4所示，槽身網(wǎng)格劃分如圖5所示。

渡槽橫向配筋計算包括跨中、邊跨、端肋和拉桿配筋計算，采用應(yīng)力圖形面積配筋法與按裂縫寬度控制計算配筋法，計算結(jié)構(gòu)取2種方法中較大的結(jié)果。具體計算配筋結(jié)果見表1。

4 結(jié)論及建議

（1）采用MIDAS/Civil軟件進(jìn)行渡槽縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)計時，因交通部門的規(guī)范相對于水利部門更為嚴(yán)格，為確保重要結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行，故結(jié)構(gòu)驗算指標(biāo)遵守交通部門的規(guī)范要求。

（2）采用MIDAS/FEA有限元軟件進(jìn)行渡槽橫向結(jié)構(gòu)計算時，考慮溫度荷載的作用，對計算斷面進(jìn)行單元細(xì)化，從而獲取每個斷面的應(yīng)力面積，使三維實體單元有限元模型不僅能分析結(jié)構(gòu)的位移變形、應(yīng)力應(yīng)變分布趨勢，也能方便常規(guī)的配筋計算，獲取準(zhǔn)確的配筋計算成果。

（3）進(jìn)一步驗證了采用邁達(dá)斯CIVIL有限元軟件進(jìn)行渡槽沿水流方向的預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計與邁達(dá)斯fea有限元軟件進(jìn)行渡槽垂直水流方向的結(jié)構(gòu)計算相結(jié)合的計算方法，能夠全面地研究預(yù)應(yīng)力渡槽縱向及橫向的應(yīng)力變形問題，準(zhǔn)確地擬定預(yù)應(yīng)力渡槽結(jié)構(gòu)布置形式、成果及普通鋼筋配筋成果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[2]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.MIDAS Civil 02.Advanced Applications[M].北京：北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，

2007.

[3]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.MIDAS分析與設(shè)計原理[M].北京：北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，2010.

[4]廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計研究院.廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)工程項目建議書（修訂本）[Z].2007.

[5]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[6]SL 191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].