向國(guó)興，湯洪潔，雷 盼，徐 江，羅亞松

(1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072；2.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴陽(yáng) 550002;3.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京 100120)

渡槽是一種輸水橋梁，在我國(guó)已有悠久的歷史[1]，我國(guó)的混凝土拱式渡槽最早可以追溯到1935年建成的洛惠渠曲里渡槽[2]，設(shè)計(jì)流量15 m3/s,渡槽全長(zhǎng)118 m，其中間段采用主跨24 m、矢高10 m的鋼筋混凝土雙肋拱結(jié)構(gòu)。新中國(guó)成立以后，特別是改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)的混凝土渡槽建設(shè)結(jié)合自身的特點(diǎn)，不斷創(chuàng)新發(fā)展，建成了一批獨(dú)具特色的拱式結(jié)構(gòu)[1]。受水利工程建設(shè)需求、建設(shè)地域等因素制約，跨徑百米以上的拱式渡槽建設(shè)數(shù)量較少，廣西萬(wàn)龍雙曲拱式渡槽[3]設(shè)計(jì)流量4 m3/s,主跨126 m,略小于同一時(shí)期河南嵩縣前河雙曲拱橋(主跨150 m)[4]，曾是我國(guó)跨徑最大的渡槽；湖南安化向陽(yáng)雙曲拱式渡槽[5]設(shè)計(jì)流量3 m3/s,主跨100 m；廣東九坑河水庫(kù)雙坑雙曲拱式渡槽[6]設(shè)計(jì)流量3 m3/s,主跨100 m；湖北響水洞桁架拱渡槽[7]設(shè)計(jì)流量10.4 m3/s,主跨100 m；文獻(xiàn)[8]記錄的國(guó)內(nèi)某桁架拱渡槽設(shè)計(jì)流量6 m3/s,主跨100.5 m；湖南彬縣烏江箱形截面拱式渡槽[5]設(shè)計(jì)流量5 m3/s,主跨110 m；河南滎陽(yáng)李村拱梁組合渡槽[9]設(shè)計(jì)流量2 m3/s，拱身采用肋拱截面，主跨102 m；廣東東莞旗嶺多連拱肋拱渡槽[10]，設(shè)計(jì)流量90 m3/s，最大拱跨49 m?？傮w而言，百米以上的大跨徑混凝土拱式渡槽以雙曲拱、桁架拱為主，并多建于20世紀(jì)70-80年代，上承式混凝土箱形截面拱式渡槽工程實(shí)例偏少，可能是未反映在文獻(xiàn)資料上的因素；除此以外，百米大跨拱式渡槽的設(shè)計(jì)流量較小，多在5 m3/s左右，水重不大。

隨著山區(qū)調(diào)水工程的發(fā)展，從客觀上給百米以上大跨拱式渡槽的發(fā)展帶來(lái)巨大的空間，同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。首先是跨徑的大幅上升，貴州龍場(chǎng)、白雞坡渡槽的跨徑分別200、156 m，跨度規(guī)模屬特大橋[11]；其次，輸水流量較以往的百米拱式渡槽大幅增加，龍場(chǎng)渡槽設(shè)計(jì)流量20.88 m3/s，水重較以往增加了約4倍，對(duì)主拱提出更高的承載力要求；再次，拱頂臨空高度達(dá)百米以上，槽址處深切峽谷地形特點(diǎn)突出，采用預(yù)制吊裝施工對(duì)拱箱截面構(gòu)造提出了新要求。目前針對(duì)百米大跨上承式混凝土箱形截面拱式渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐偏少[12]，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[13]對(duì)拱式渡槽設(shè)計(jì)的規(guī)定主要適用于跨度40 m以下的情況。結(jié)合貴州省黔中水利樞紐工程的特點(diǎn)，基于渡槽與橋梁的工程類比，就百米大跨上承式混凝土箱形截面拱式渡槽的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、拱身混凝土、拱上建筑物以及結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行了分析與實(shí)踐，并于2014-2016年相繼建成了貴州平寨、白雞坡、龍場(chǎng)、祠堂邊、青年隊(duì)、塔山坡1號(hào)6座主跨大于100 m的上承式混凝土箱形截面拱式渡槽，后續(xù)累計(jì)進(jìn)行充水試驗(yàn)約180 d，安全監(jiān)測(cè)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)力學(xué)變形性能符合預(yù)期，并于2018年1月投入試運(yùn)行，目前運(yùn)行情況正常。

1 工程背景

貴州省黔中水利樞紐一期工程總干渠建設(shè)于山區(qū)，渠首設(shè)計(jì)流量22.77 m3/s，全長(zhǎng)62.85 km，經(jīng)線路比選后，依然出現(xiàn)了6座主跨超過(guò)100 m的上承式混凝土箱形截面拱式渡槽，具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 黔中水利樞紐工程總干渠大跨上承式 混凝土箱形截面拱式渡槽特性Tab.1 Characteristics of long-span upper-supported concrete box section arch aqueduct in Main Channel of Qianzhong Water Conservancy Project

平寨、白雞坡、龍場(chǎng)、祠堂邊渡槽均位于V形深谷中，槽跨布置為單跨拱；青年隊(duì)、塔山坡1號(hào)渡槽均位于開(kāi)闊幽深的U形山谷，地質(zhì)條件較好，考慮到槽址處地面起伏較大有利于設(shè)置拱墩的特點(diǎn)，經(jīng)比選后青年隊(duì)渡槽槽跨布置為6連拱，塔山坡1號(hào)渡槽槽跨布置為2連拱。拱上建筑由排架、簡(jiǎn)支U形槽身組成。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

考慮到表1所列渡槽跨徑大、水荷載較以往同等跨度渡槽更重的情況，基于拱式渡槽與拱橋總體結(jié)構(gòu)體系一致、拱圈構(gòu)造與受力相近、拱圈施工工藝相同的特點(diǎn)，為確保渡槽設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的合理性，采用水利、公路行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就建筑物級(jí)別、抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、耐久性使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)表2。水利、公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[16,17]抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致，抗震設(shè)計(jì)烈度或抗震設(shè)防烈度均采用現(xiàn)行《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)規(guī)定的地震基本烈度作為設(shè)計(jì)烈度，主要差異為建筑物級(jí)別與耐久性使用標(biāo)準(zhǔn)。建筑物級(jí)別的差異主要影響結(jié)構(gòu)的安全度，耐久性使用標(biāo)準(zhǔn)的差異則主要表現(xiàn)為混凝土耐久性的差異，就工程建設(shè)角度而言，這些渡槽往往是控制性工程與難點(diǎn)，因此有必要采用水利、公路雙行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

表2 水利、公路行業(yè)拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Tab.2 Comparison of arch structural design Standards in water conservancy and highway industry

2.2 拱圈構(gòu)造

2.2.1 矢跨比

矢跨比是拱結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，其選擇對(duì)拱的內(nèi)力與穩(wěn)定、施工方法影響較大。恒載的水平推力與垂直反力的比值，隨矢跨比減小而增大，當(dāng)矢跨比減小時(shí)，拱的推力增加，相應(yīng)增加了主拱圈的軸向力，對(duì)拱圈有利但對(duì)墩臺(tái)基礎(chǔ)不利；矢跨比過(guò)小，附加內(nèi)力越大，特別是混凝土的收縮徐變和墩臺(tái)的水平位移將引起拱頂?shù)南鲁辽踔灵_(kāi)裂；除此以外，矢跨比過(guò)小，連拱作用的效應(yīng)更加顯著，對(duì)結(jié)構(gòu)整體而言是不利的。拱的穩(wěn)定系數(shù)與失穩(wěn)模態(tài)影響因素眾多，但拱的第一階彈性穩(wěn)定系數(shù)和考慮風(fēng)荷載作用下的幾何非線性穩(wěn)定系數(shù)隨矢跨比的減小而減小[19]，因此拱的矢跨比不宜過(guò)小。但就施工角度而言，矢跨比小有利于混凝土澆筑。

基于大跨徑拱橋矢跨比取值為1/5～1/8、且以1/6居多的規(guī)律[4]，考慮到渡槽水荷載更重的特點(diǎn)，選取矢跨比為1/4、1/5、1/6作為特征值，在拱上建筑、主拱圈截面形式一定的條件下，建立了相應(yīng)的渡槽桿系有限元模型，并開(kāi)展了恒載、收縮徐變、溫度作用、水荷載作用條件下的計(jì)算分析，綜合結(jié)構(gòu)受力、地基承載能力、拱上排架高度、混凝土澆筑等因素后，平寨、白雞坡、祠堂邊、青年隊(duì)、塔山坡1號(hào)渡槽渡槽矢跨比選擇1/4，龍場(chǎng)渡槽矢跨比選擇1/5，均高于以往的百米大跨拱式渡槽矢跨比[5,6]以及現(xiàn)行規(guī)范推薦的矢跨比[13]，反映了大跨徑、重水荷載條件下拱式渡槽矢跨比選擇的特點(diǎn)。

2.2.2 拱軸線

拱軸線的形狀將直接影響拱圈截面的內(nèi)力分布，常見(jiàn)的拱軸線形式主要有圓曲線、拋物線、懸鏈線三種。圓曲線作為拱軸線，其合理拱軸線對(duì)應(yīng)同一深度的靜水壓力線[19,20]，與一般拱橋受力特征相反，為所受荷載由拱頂向拱腳逐漸減小[21]，其使用主要從拱圈節(jié)段預(yù)制和施工便利考慮。拋物線作為拱軸線，其合理拱軸線對(duì)應(yīng)的壓力線為豎向均布荷載[19-21]，考慮到大跨徑拱結(jié)構(gòu)多采用空腹式拱上建筑，需要通過(guò)減小拱上立柱的間距以減小集中荷載，使拱圈受力均勻，因此在上承式桁架拱渡槽[1]或拱橋[21]的應(yīng)用較多。懸鏈線作為合理拱軸線，對(duì)應(yīng)的拱圈受力荷載由拱頂向拱腳均勻增加，特別適用于實(shí)腹拱，對(duì)于大跨徑上承式空腹拱，則通過(guò)選用合理的拱軸系數(shù)m使拱軸線與壓力線在拱頂、1/4跨和拱腳處重合的方法，以獲取良好的受力狀態(tài)。由于懸鏈線較好地符合拱結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，因此在大跨徑拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較多，文獻(xiàn)[4]的調(diào)查結(jié)果表明百米以上拱橋中有85.4%選用了懸鏈線，國(guó)內(nèi)以往的百米拱式渡槽同樣采用了懸鏈線[5,6]。

考慮到國(guó)內(nèi)大跨徑拱結(jié)構(gòu)拱軸線應(yīng)用特點(diǎn)，表1所列渡槽選用懸鏈線作為拱軸線，并重點(diǎn)分析拱軸系數(shù)m的取值。文獻(xiàn)[19]采用統(tǒng)計(jì)方法給出了懸鏈線拱橋的特征m值及其所代表的m值范圍分布情況，基于工程相似性及水荷載特點(diǎn)，根據(jù)其統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)按窮舉法選取m=1.543、1.738、1.988、2.240、2.514的拱軸特征系數(shù)，在拱上建筑、主拱圈截面形式一定的條件下，建立了相應(yīng)的渡槽桿系有限元模型，并開(kāi)展了恒載、收縮徐變、溫度作用、水荷載作用條件下的計(jì)算分析；對(duì)于吊裝施工的拱圈，進(jìn)一步根據(jù)拱圈的安裝順序與扣索布置，建立了相應(yīng)的施工仿真模型，對(duì)結(jié)構(gòu)施工期的受力與變形作進(jìn)一步復(fù)核。綜合結(jié)構(gòu)施工期、運(yùn)行期的受力變形情況，龍場(chǎng)渡槽拱軸系數(shù)m=2.240，平寨、白雞坡渡槽拱軸系數(shù)m=1.998，祠堂邊、青年隊(duì)、塔山坡1號(hào)渡槽拱軸系數(shù)m=1.738。

2.2.3 拱圈構(gòu)造

(1)總體構(gòu)造特點(diǎn)與施工方法。拱圈是拱式渡槽的關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)，表1所列渡槽均采用了單箱多室截面，其尺寸主要包括拱圈的高度、寬度以及頂板、底板、腹板尺寸，平寨、白雞坡渡槽采用橫向分箱預(yù)制吊裝施工，還進(jìn)一步確定了分箱寬度、預(yù)制箱壁厚度以及相鄰預(yù)制箱肋之間預(yù)留現(xiàn)澆混凝土縫隙寬度等；拱圈截面尺寸需要通過(guò)具體的設(shè)計(jì)計(jì)算和施工方法深入分析才能確定，渡槽拱圈整體構(gòu)造如圖1。平寨、白雞坡渡槽采用了單箱三室的截面構(gòu)造以降低各箱肋自重，有利于分箱吊裝施工；其余渡槽均采用了單箱雙室的截面構(gòu)造以降低腹板自重，則有利于整體吊裝施工、支架法現(xiàn)澆施工，拱圈截面構(gòu)造尺寸與施工方法見(jiàn)表3。

圖1 拱圈箱形截面構(gòu)造示意Fig.1 Illustration of arch ring box section structure

表3 拱圈箱形截面構(gòu)造特性 m

(2)拱圈高度。拱圈高度主要取決于拱的跨徑，還與混凝土強(qiáng)度有一定關(guān)系，國(guó)內(nèi)外已建拱橋拱圈高度一般控制在跨徑的1/50～1/70[22]。表1所列渡槽最大水重相當(dāng)于公路-Ⅰ級(jí)車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值[15]6.8～7.6倍，相當(dāng)于設(shè)計(jì)車道數(shù)6～8車道，拱橋多采用分離式設(shè)計(jì)，也即分上行、下行兩幅，單幅拱橋的設(shè)計(jì)車道數(shù)3～4車道；就主要活載而言，單幅渡槽相當(dāng)于承受了兩幅拱橋的汽車荷載，除此以外，活載增大將導(dǎo)致拱上排架、槽身自重相應(yīng)增大。因此，渡槽拱圈高度H取值較高，為跨徑的1/49.1～1/57.1，偏于公路橋梁拱圈高度取值經(jīng)驗(yàn)的上限。

(3)拱圈寬度。公路拱橋拱圈寬度主要取決于行車道寬度[23,24]，初擬時(shí)可控制在橋面寬度的1～0.6倍[19,23]，從結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定考慮則希望拱圈寬度不小于計(jì)算跨徑的1/20。文獻(xiàn)[23]統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外45座跨徑100～420 m拱橋的技術(shù)指標(biāo)，與表1所列渡槽跨徑范圍相當(dāng)(94.38～220 m)的拱橋32座，拱圈寬跨比平均值為1/26.9，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其中29座拱橋(占32座的90.6%)寬跨比的平均值為1/19.9；另有3座寬跨比異常小的拱橋可能與橋面寬度有關(guān)，均通過(guò)加大拱圈高度以提高結(jié)構(gòu)的剛度，以此提高拱圈失穩(wěn)時(shí)的臨界軸向壓力，達(dá)到提高拱圈穩(wěn)定性的目的，其中韓國(guó)首爾仙游人行拱橋拱圈寬度1.3 m，凈跨120 m，寬跨比約1/92.3，拱圈高度4.3 m，遠(yuǎn)高出拱圈高度經(jīng)驗(yàn)取值[22]2.4～1.7 m。由此可見(jiàn)，公路拱橋總體會(huì)從穩(wěn)定角度考慮拱圈寬度取值[25]，當(dāng)橋面寬度較窄時(shí)可通過(guò)增大拱圈高度來(lái)確保結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。

表1所列渡槽槽身采用窄深式的過(guò)水?dāng)嗝?，寬度?.3～5.5 m，對(duì)于其中4座主跨108 m渡槽而言，拱圈寬度從穩(wěn)定角度考慮取主跨的1/20為5.4 m，正好與槽身寬度相當(dāng)，為方便拱上排架設(shè)計(jì)、施工略有增大均取6 m寬；即便如此，平寨渡槽因采用分箱吊裝，中箱肋合龍松索后的穩(wěn)定安全系數(shù)僅4.2[26]，略高于規(guī)范規(guī)定的4.0[27]。白雞坡渡槽主跨156 m，采用了單箱三室截面，同樣采用了分箱吊裝的施工方法，從結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定以及分箱吊裝過(guò)程穩(wěn)定考慮，拱圈寬度取7.5 m，寬跨比約1/20.8。龍場(chǎng)渡槽主跨200 m，結(jié)合拱圈整體吊裝施工以及結(jié)構(gòu)各階段的受力情況，綜合比較后采用了變寬等高箱形截面，拱腳寬12 m，拱頂寬5.5 m，平均寬約7.7 m，較經(jīng)驗(yàn)取值10 m窄，在降低自重的同時(shí)提高了關(guān)鍵部位的承載能力，充分發(fā)揮了材料的性能；采用變寬截面后結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，懸臂拼裝過(guò)程未采用風(fēng)纜措施(平寨、白雞坡渡槽懸臂拼裝過(guò)程中均采用風(fēng)纜以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定)，解決了槽址處風(fēng)纜難以設(shè)置的問(wèn)題。

(4)拱圈壁板厚度。文獻(xiàn)[23]對(duì)國(guó)內(nèi)外33座大跨徑拱橋拱圈壁板厚度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，箱拱頂、底板厚度均一致，可取跨徑的1/500～1/800，腹板厚度可取跨徑1/500～1/800，對(duì)大跨徑箱形截面拱式渡槽壁板厚度取值提供了一定參考。6座渡槽的壁板厚度見(jiàn)表3，頂、底板厚度相同，與跨徑之比為1/360～1/500；由于施工方法的差異，采用吊裝法施工的拱箱邊腹板厚度b1與中腹板厚度b0差別較大，為方便比較，取腹板的總厚度除以腹板數(shù)量作為腹板厚度的特征值，其與跨徑之比為1/263～1/380，明顯高于公路橋梁的取值。前述分析表明渡槽單幅拱圈承受的水荷載相當(dāng)于兩幅拱橋的汽車荷載(3～4車道)，其對(duì)應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)、槽身自重也必然更大，而渡槽拱圈高度、寬度取值總體控制在公路橋梁的經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)，因此箱壁厚度需要增大才能滿足結(jié)構(gòu)受力安全的要求。

(5)分箱構(gòu)造尺寸。平寨、白雞坡渡槽采用單箱三室截面，橫向分三個(gè)箱室獨(dú)立吊裝拼裝成拱，而后將拱箱橫隔板處預(yù)留的橫向鋼筋焊接連接，再安裝預(yù)留頂板的縱橫向鋼筋，最后澆筑預(yù)制箱肋之間預(yù)留縫以及拱箱頂板層混凝土，形成整體拱箱構(gòu)造。白雞坡渡槽拱圈縱向分15段預(yù)制，各段長(zhǎng)度基本相同，分箱預(yù)制尺寸如圖2，每段預(yù)制拱箱的最大吊重為75 t(凈重)。邊箱預(yù)制寬度為2.37 m，中箱預(yù)制寬度為2.64 m，預(yù)制高度均為2.8 m；底板預(yù)制厚度均為0.3 m，頂板預(yù)制厚度均為0.1 m；中箱腹板預(yù)制厚度為0.1 m，邊箱外側(cè)腹板預(yù)制厚度為0.3 m，內(nèi)側(cè)腹板預(yù)制厚度0.1 m；中箱與邊箱之間預(yù)留的縱縫厚0.32 m，預(yù)留頂板厚0.2 m。預(yù)制箱體內(nèi)均設(shè)置橫隔板，間距為2.089m，位于接頭處橫隔板厚0.15 m，其余橫隔板厚0.12 m。

圖2 白雞坡渡槽拱圈分箱構(gòu)造預(yù)制尺寸(單位：cm)Fig.2 Prefabricated dimensions of arch ring sub-box structure of Baijipo aqueduct

2.3 拱圈混凝土

從拱圈結(jié)構(gòu)輕型化考慮，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均有所提高，龍場(chǎng)渡槽拱圈采用C55混凝土，其余渡槽拱圈均采用C45混凝土。就國(guó)內(nèi)公路行業(yè)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[27]而言，混凝土優(yōu)先選用河砂。貴州地區(qū)缺乏河砂資源，外購(gòu)河砂花費(fèi)巨大，得益于貴州公路行業(yè)機(jī)制砂混凝土的廣泛應(yīng)用實(shí)踐與標(biāo)準(zhǔn)的制訂[28]，為其他行業(yè)工程的應(yīng)用提供了示范。有鑒于此，開(kāi)展了拱圈河砂、機(jī)制砂混凝土的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明機(jī)制砂混凝土的熱力學(xué)性能、工作性能、耐久性同樣滿足渡槽的建設(shè)需要[26]。在此基礎(chǔ)上，各渡槽根據(jù)原材料特性進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)，確定了各自拱圈機(jī)制砂混凝土配合比如表4。

2.4 拱上建筑物

目前我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[25]規(guī)定拱橋多按主拱圈裸拱受力計(jì)算，拱上建筑物作為傳力構(gòu)件，在構(gòu)造細(xì)節(jié)上要求拱上建筑物與主拱圈避免過(guò)度的相互約束，為此公路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[25]還進(jìn)一步規(guī)定拱上建筑物宜采用排架與簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)以適應(yīng)拱圈的變形?？紤]到表1所列渡槽跨徑大、受力與拱橋相近的特點(diǎn)，拱上建筑物選擇了排架、簡(jiǎn)支槽身，結(jié)構(gòu)受力更加明確。前述分析表明渡槽單幅拱圈承受的水荷載遠(yuǎn)大于汽車荷載，使得拱上建筑物的自重更大，因此開(kāi)展拱上建筑物的輕型化設(shè)計(jì)將促進(jìn)拱圈的輕型化，有利于降低施工難度和施工費(fèi)用。

表4 拱圈機(jī)制砂混凝土配合比Tab.4 Mix proportion of arch ring manufactured sand concrete

文獻(xiàn)[29]、[30]通過(guò)對(duì)渡槽常用斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究表明，在流量、糙率、縱坡相同的條件下，底部為半圓形的U形斷面的過(guò)水?dāng)嗝妗裰茏钚?，因此能有效減小槽身的截面尺寸，既能達(dá)到降低結(jié)構(gòu)自重的目的，又能減小沿程水頭損失。有鑒于此，表1所列渡槽拱上簡(jiǎn)支槽身均采用了U形斷面；同時(shí)，拱上排架采用試算以及提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)的方法，以達(dá)到結(jié)構(gòu)自重優(yōu)化的目的。文獻(xiàn)[31]運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論求得實(shí)際工程鋼筋混凝土排架的最優(yōu)斷面，較常規(guī)試算法的效率高，同時(shí)得到的斷面也最為理想，值得在今后拱上排架的輕型化設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 荷載與組合

結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)使用過(guò)程中可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合，并取結(jié)構(gòu)的最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)構(gòu)件開(kāi)展不同受力方向的驗(yàn)算時(shí)，以不同方向的最不利荷載組合效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算[15]。施工階段的荷載組合則根據(jù)施工方法確定，采用預(yù)制吊裝時(shí)需要考慮扣索索力、施工機(jī)具、施工期風(fēng)荷載等。

3.2 計(jì)算方法與模型

表1所列渡槽屬于典型的混凝土桿件結(jié)構(gòu)，可以將空間問(wèn)題簡(jiǎn)化為縱向、橫向2組平面問(wèn)題[32]，這是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法，而相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、配筋設(shè)計(jì)方法也在此基礎(chǔ)上建立。渡槽拱上建筑物均采用排架、簡(jiǎn)支U形槽身，計(jì)算時(shí)按裸拱受力考慮，不考慮拱上建筑物與主拱圈的聯(lián)合作用。拱圈縱向桿系有限元模型主要解決結(jié)構(gòu)縱向受力及配筋設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)于采用支架現(xiàn)澆法施工的拱圈，計(jì)算模型單元主要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力特點(diǎn)、邊界條件進(jìn)行劃分，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的細(xì)部隔板構(gòu)造按集中力考慮，拱上結(jié)構(gòu)的荷載均以集中力的形式作用于主拱排架所在位置節(jié)點(diǎn)，拱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)置為固定端約束；對(duì)于采用吊裝法施工的拱圈，還需要結(jié)合拱圈的施工順序以模擬施工期受力，并考慮施工期的收縮徐變影響。

龍場(chǎng)渡槽拱圈采用全斷面整體吊裝安裝的方法，拱圈縱向劃分為0號(hào)現(xiàn)澆節(jié)段、1～13號(hào)預(yù)制吊裝節(jié)段、合龍現(xiàn)澆段。0號(hào)節(jié)段位于拱腳長(zhǎng)19.7 m，采用支架法現(xiàn)澆，混凝土達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%后張拉該節(jié)段的扣索和錨索，隨后拆除支架體系，形成懸臂斜拉扣掛體系；1～13號(hào)節(jié)段按纜索吊裝能力進(jìn)行劃分，長(zhǎng)5.428～8.712 m，并通過(guò)已安裝好的纜索吊裝系統(tǒng)起吊安裝，吊裝就位后進(jìn)行預(yù)制接頭間的鋼筋焊接及混凝土澆筑，接頭混凝土達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%后張拉該節(jié)段的扣索和錨索，從1號(hào)至13號(hào)依次循環(huán)完成吊裝安裝；最后澆筑合龍段混凝土，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后按預(yù)定程序拆除扣索和錨索，拱圈施工結(jié)束。此后，再按照設(shè)計(jì)預(yù)定程序進(jìn)一步完成排架、槽身的施工。

針對(duì)上述施工順序，采用橋梁結(jié)構(gòu)專用計(jì)算軟件Midas civil建立了龍場(chǎng)渡槽全過(guò)程施工仿真桿系有限元模型。首先結(jié)合拱圈節(jié)段劃分、排架位置、扣索位于拱圈的錨固端位置，采用梁?jiǎn)卧獙?duì)拱圈進(jìn)行離散；其次根據(jù)扣塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、扣索與錨索位于扣塔的張拉端位置，采用梁?jiǎn)卧獙?duì)扣塔進(jìn)行離散；最后采用桁架單元模擬扣索與錨索，扣索、錨索的張拉端均位于扣塔，與扣塔對(duì)應(yīng)的梁?jiǎn)卧灿霉?jié)點(diǎn)，扣索的錨固端位于拱圈，與拱圈對(duì)應(yīng)的梁?jiǎn)卧灿霉?jié)點(diǎn)，錨索的固定端位于兩岸山體的混凝土錨碇，因此設(shè)置為固定端約束，扣索與錨索的索力采用初始應(yīng)力法模擬。拱腳與扣塔底部節(jié)點(diǎn)設(shè)置為固定端約束；混凝土收縮與徐變按照公路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[25]的有關(guān)規(guī)定由Midas civil自動(dòng)計(jì)算。根據(jù)前述施工順序以及擬定時(shí)間依次在Midas civil中建立相應(yīng)的施工階段，并在施工階段中激活相應(yīng)的單元、荷載以及邊界條件，共計(jì)70個(gè)施工階段 (包含運(yùn)行期混凝土的10年收縮與徐變)以描述施工全過(guò)程，拱圈合龍時(shí)的計(jì)算模型如圖3。除此以外，龍場(chǎng)渡槽還建立了三維有限元模型，重點(diǎn)分析拱腳、排架柱處拱圈、細(xì)部隔板在運(yùn)行期的局部受力變形特征，以進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)與配筋設(shè)計(jì)。

圖3 龍場(chǎng)渡槽計(jì)算模型(拱圈合龍狀態(tài))Fig.3 Calculation model of Longchang aqueduct(Closure of arch ring)

3.3 計(jì)算結(jié)果與充水試驗(yàn)驗(yàn)證

渡槽結(jié)構(gòu)計(jì)算按水利、公路雙行業(yè)規(guī)范進(jìn)行控制，施工階段、運(yùn)行階段計(jì)算成果均能較好地滿足有關(guān)規(guī)范要求[25,33]。渡槽建成后充水試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的力學(xué)變形符合設(shè)計(jì)預(yù)期，結(jié)構(gòu)安全可靠。龍場(chǎng)渡槽加載至加大流量時(shí)，由水荷載引起的拱圈實(shí)測(cè)豎向變形與理論值對(duì)比如圖4，二者非常接近，拱頂豎向變形實(shí)測(cè)值18.0 mm，小于理論值21.0 mm；由水荷載引起的拱圈實(shí)測(cè)上下緣正應(yīng)力與理論值對(duì)比如圖5，二者較為接近，關(guān)鍵部位應(yīng)力安全可靠，上游拱腳截面上緣實(shí)測(cè)正壓應(yīng)力為-4.04 MPa，小于理論值-5.35 MPa，下緣實(shí)測(cè)正壓應(yīng)力為-6.10 MPa，小于理論值-7.37 MPa；拱頂截面上緣實(shí)測(cè)正壓應(yīng)力為-7.97 MPa，小于理論值-9.85 MPa，下緣實(shí)測(cè)正壓應(yīng)力為-6.22 MPa，略大于理論值-4.79 MPa；下游拱腳截面上緣實(shí)測(cè)正壓應(yīng)力為-4.81 MPa，小于理論值-5.35 MPa，下緣實(shí)測(cè)正壓應(yīng)力為-6.59 MPa，小于理論值-7.37 MPa。

圖4 加大流量拱圈豎向變形實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比Fig.4 Comparison of measured and theoretical values of vertical deformation of arch ring with increased flow rate

圖5 加大流量拱圈上下緣正應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比Fig.5 Comparison of measured and theoretical values of normal stress at upper and lower edges of arch rings with increased flow rate

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)基于同等跨度拱式渡槽與拱橋結(jié)構(gòu)體系、受力、拱圈施工方法相似的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比分析渡槽在水利、公路行業(yè)的建筑物標(biāo)準(zhǔn)、抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、耐久性使用標(biāo)準(zhǔn)，采用雙行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)控制的方法有利于確保結(jié)構(gòu)的安全、可靠、耐用。

(2)基于同等跨度拱式渡槽與拱橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造類比，通過(guò)建立相應(yīng)的桿系有限元模型，經(jīng)計(jì)算分析確定的渡槽矢跨比、拱軸線、拱圈構(gòu)造尺寸等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是合適的，渡槽的充水試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形符合設(shè)計(jì)預(yù)期，結(jié)構(gòu)運(yùn)行正常。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)施工方法選擇了不同的拱圈構(gòu)造，以及采用優(yōu)化方法降低拱上建筑物自重的方法，有利于降低大跨度拱式渡槽的恒載，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)的輕型化，并降低了施工難度和施工費(fèi)用，符合大跨度混凝土渡槽的發(fā)展趨勢(shì)。

(4)拱圈C45、C55機(jī)制砂混凝土同樣具有良好熱力學(xué)性能、工作性能、耐久性，能適應(yīng)大跨拱式渡槽的建設(shè)，其應(yīng)用對(duì)于缺乏河砂的地區(qū)具有良好的示范效應(yīng)。

(5)拱式渡槽設(shè)計(jì)對(duì)渡槽的造價(jià)、施工機(jī)具與設(shè)備、施工方法以及拱圈的應(yīng)力變形、穩(wěn)定均有重要影響，由于不同工程輸水流量的差異，使得渡槽水荷載存在差別，而隨著主要活載的變化，拱圈矢跨比、拱軸線形式、截面構(gòu)造尺寸的取值也將發(fā)生變化，因此，針對(duì)不同跨度、不同輸水流量的上承式混凝土箱形截面拱式渡槽，進(jìn)一步開(kāi)展拱圈構(gòu)造研究既能保障結(jié)構(gòu)的安全，又能節(jié)約材料，避免浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)性。

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