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        湫湖灌區(qū)1號(hào)過水橋改造工程設(shè)計(jì)與計(jì)算

        2023-01-26 14:26:20楚雷剛池麗敏邵雨辰
        城市道橋與防洪 2022年12期
        關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力有限元荷載

        楚雷剛,池麗敏,邵雨辰

        (1.南京市溧水區(qū)水務(wù)局,江蘇 南京 211299;2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210014)

        0 引言

        20世紀(jì)60年代以來,隨著國(guó)內(nèi)水利基礎(chǔ)設(shè)施的興建,過水橋因其重量輕、跨度大、造價(jià)低、水流條件好、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但是,在長(zhǎng)期使用過程中由于運(yùn)行管護(hù)不當(dāng)、材料老化等原因造成一定的病險(xiǎn)現(xiàn)象[1-4]。湫湖灌區(qū)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)過水橋,原過流能力在8 m3/s左右,輸水能力已不滿足總干渠(15 m3/s)要求。3座過水橋均建于1980年,由于長(zhǎng)期運(yùn)行,破損老化、碳化較為嚴(yán)重;由于年久失修,有的還出現(xiàn)側(cè)墻裂縫,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。過水橋止水原先采用瀝青毛氈,現(xiàn)在老化嚴(yán)重,漏水較多,急需進(jìn)行更換改造。本文以湫湖灌區(qū)1號(hào)過水橋改造工程為例,過水橋采用后張法預(yù)應(yīng)力技術(shù),并通過三維有限元模型對(duì)槽身結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移進(jìn)行計(jì)算,為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        1 湫湖灌區(qū)原1號(hào)過水橋概況

        湫湖灌區(qū)原1號(hào)過水橋建于1980年,寬4.0 m,高2.5 m,槽臺(tái)為三聯(lián)拱形,總長(zhǎng)120 m(見圖1)。溧水區(qū)2015—2018年農(nóng)村公路提檔升級(jí)工程X151戴山線(老明公路—秋湖段)道路改造工程穿原1號(hào)過水橋中孔,道路設(shè)計(jì)凈寬8.5 m,總寬12.5 m,與過水橋斜交角度約為64°,相交斜長(zhǎng)約28.5 m。

        圖1 原湫湖灌區(qū)1號(hào)過水橋現(xiàn)場(chǎng)照片

        原1號(hào)過水橋由于長(zhǎng)期運(yùn)行,破損老化,年久失修,有的還出現(xiàn)側(cè)墻裂縫,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。

        2 過水橋設(shè)計(jì)

        1號(hào)過水橋原斷面4.0 m×2.5 m,實(shí)際過流能力約為8 m3/s。

        湫湖泵站為湫湖灌區(qū)渠首工程,建于1978年,2011年完成更新改造工程,設(shè)計(jì)流量為15 m3/s。原過水橋輸水能力與湫湖泵站設(shè)計(jì)流量不相適應(yīng),新建過水橋需根據(jù)湫湖泵站設(shè)計(jì)流量擬定過水橋斷面。1號(hào)過水橋設(shè)計(jì)流量為15 m3/s。

        設(shè)計(jì)1號(hào)過水橋總長(zhǎng)161.4 m,共7跨,中跨X151戴山線橋跨度30 m,橋墩采用樁柱式橋臺(tái),樁徑DN1 200 mm,樁長(zhǎng)18.7 m,蓋梁高1.2 m,寬1.6 m。其余6跨橋身跨度16 m,橋架采用單排架,中設(shè)一道橫梁,排架高度根據(jù)地形有7.9 m、9.0 m兩種,蓋梁高0.6 m,寬1.3 m,橋身為2×3.0 m×2.5 m有拉桿加肋雙孔矩形槽,拉桿0.2 m×0.2 m間距2 m,肋0.25 m×0.2 m,高2.1 m,間距2 m。進(jìn)水口與總干渠以10 m長(zhǎng)扭面銜接,8 m長(zhǎng)鋼筋混凝土連接段接過水橋與扭面,出水口與總干渠以10 m長(zhǎng)扭面銜接,7 m長(zhǎng)鋼筋混凝土連接段接過水橋與扭面。邊跨坡面與干渠錐坡順接。

        工程1號(hào)過水橋30 m跨橋身擬采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),提高結(jié)構(gòu)抗裂性能,配置足夠的表面限裂鋼筋等技術(shù),并加強(qiáng)混凝土澆筑后的表面養(yǎng)護(hù)(保溫、保濕)措施來增大伸縮縫間距[5]。

        對(duì)于30 m跨徑過水橋,分別采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法和三維有限元分析法計(jì)算。

        3 過水橋水力計(jì)算

        根據(jù)《農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)江蘇省南京市溧水區(qū)湫湖灌區(qū)節(jié)水配套改造項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)》(2013年)湫湖總干渠水位推算成果,采用總干渠下游末端水位為38.78 m,K0+700處水位40.37 m,K1+220處水位40.08 m。

        根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288—2018)附錄M[6],當(dāng)過水橋長(zhǎng)度大于其15倍的進(jìn)口段渠道正常水深時(shí),過水橋流量按照下式計(jì)算:

        式中:Q為過水橋設(shè)計(jì)流量,m3/s;A為過水橋過水?dāng)嗝婷娣e,m2;R為水力半徑;i為槽底比降,取1/900;n為槽身糙率,取0.014。

        通過計(jì)算,取過水橋過水?dāng)嗝娉叽鐬?×2.3 m×3.0 m,此時(shí)流量為15.43 m3/s,流速為1.09 m/s,流量Q稍大于設(shè)計(jì)流量,可以滿足設(shè)計(jì)要求。其中考慮槽身頂部超高0.20 m,過水橋斷面尺寸為2×2.5m×3.0 m兩孔。

        本次設(shè)計(jì)過水橋進(jìn)、出口槽底高程不變,槽底高程取38.00,又i=1/900槽底比降,進(jìn)水口水面需雍高約0.15 m,可達(dá)設(shè)計(jì)流量。

        4 結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算

        4.1 基本數(shù)據(jù)

        (1)結(jié)構(gòu)安全級(jí)別。按照《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288—2018)[6],項(xiàng)目建設(shè)工程等級(jí)如下:總干渠設(shè)計(jì)流量15.0 m3/s,工程級(jí)別為4級(jí),過水橋安全級(jí)別為4級(jí)。按照SL191—2008,3.2.4,對(duì)應(yīng)荷載效應(yīng)基本情況下的承載力安全系數(shù)K=1.15。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)續(xù)表E.5項(xiàng)目區(qū)基本風(fēng)壓取4.5 kN/m2。

        (2)荷載及荷載分項(xiàng)系數(shù)。槽身自重γg=1.05;行人荷載取2.5 kN/m2,γq=1.20;過水橋按照滿槽水計(jì)算γq=1.10。

        (3)環(huán)境條件類別。因過水橋處于露天,故環(huán)境條件類別為二類?;炷帘Wo(hù)層最小厚度c=25 mm。

        (4)材料?;炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40,但過水橋在現(xiàn)場(chǎng)澆筑,考慮到施工工藝等具體條件,槽身計(jì)算中的混凝土等級(jí)采用C30。由SL191—2008查得,fc=14.3 N/mm2,ft=1.43 N/mm2,fck=20.1 N/mm2,ftk=2.01 N/mm2,Ec=3.0×104N/mm2,后張時(shí)及施工階段驗(yàn)算中混凝土強(qiáng)度取C40的75%。

        (5)裂縫控制等級(jí)。按照二級(jí)控制。

        4.2 預(yù)應(yīng)力施加

        槽身預(yù)應(yīng)力施加采用后張法,即先澆筑混凝土,等達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后再?gòu)埨摻?,預(yù)應(yīng)力通過錨頭傳給混凝土,預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的黏結(jié)力通過張拉鋼筋后對(duì)孔道灌漿來實(shí)現(xiàn)。錨具對(duì)混凝土產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力,隨著距錨具的增大而有所損失。在有限元網(wǎng)格中以節(jié)點(diǎn)的外荷載形式施加預(yù)應(yīng)力時(shí),必須計(jì)算這種損失。

        槽身縱向預(yù)應(yīng)力筋:按槽身受力要求計(jì)算出的縱向預(yù)應(yīng)力筋主要布置在中墻和邊墻底部的大梁內(nèi),并在槽底板寬度內(nèi)沿縱向布置部分通長(zhǎng)直筋,由于縱向預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度長(zhǎng),采用鋼絞線(10?j15.2)群錨體系,后張法施工。錨下控制應(yīng)力采用σcon=0.75fpk=1 395 MPa,相應(yīng)的錨下控制張拉力1 953 kN(錨口摩阻損失和千斤頂?shù)膬?nèi)摩阻由試驗(yàn)確定)。鋼絞線采用雙端張拉。

        過水橋斷面設(shè)計(jì)和預(yù)應(yīng)力筋布置如圖2、圖3所示。

        圖2 過水橋斷面設(shè)計(jì)圖(單位:m)

        圖3 預(yù)應(yīng)力筋布置圖(單位:m)

        4.3 有限元計(jì)算

        4.3.1 不加預(yù)應(yīng)力三維有限元分析

        建立過水橋結(jié)構(gòu)整體三維有限元分析模型,如圖4所示。過水橋長(zhǎng)度方向?yàn)閅向,水平向?yàn)閄向,豎直向?yàn)閆向。混凝土結(jié)構(gòu)采用空間8結(jié)點(diǎn)六面體單位,少量6結(jié)點(diǎn)棱柱退化單元,模型共剖分60 876個(gè)結(jié)點(diǎn)、41 466個(gè)實(shí)體單元。

        圖4 兩孔一聯(lián)過水橋結(jié)構(gòu)三維有限元模型

        過水橋采用彈性材料進(jìn)行分析,槽身為C40混凝土,E=32.5 GPa,泊松比0.167,密度2 450 kg/m3。過水橋頂部聯(lián)桿為C20混凝土,E=28.0 GPa,泊松比0.167,密度2 400 kg/m3。槽身內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力鋼筋,E=200 GPa,泊松比0.3,密度7 850 kg/m3。

        邊界條件:過水橋底部?jī)啥烁?.8m范圍內(nèi)的結(jié)點(diǎn)施加約束,一端加三向固定約束,另外一端僅施加Z向約束。

        荷載條件:(1)結(jié)構(gòu)自重;(2)過水橋內(nèi)水壓力(2.3 m水深)。

        計(jì)算工況:(1)僅自重;(2)自重+水壓。

        水壓分布區(qū)域如圖5所示。

        圖5 水壓分布區(qū)域

        (1)工況1:僅自重。在僅自重荷載作用下,最大豎直向變形發(fā)生在過水橋跨中部位,最大變形為4.185 mm(見圖6)。過水橋跨中部底下兩側(cè)部沿過水橋長(zhǎng)度方向的拉應(yīng)力最大,其值為2.92 MPa(見圖7、圖8)。

        圖6 豎直向變形分布(單位:m)

        圖7 水平向(槽身向)應(yīng)力分布(單位:P a)

        圖8 水平向(槽身向)超過1.71 MP a的應(yīng)力分布(單位:P a)

        (2)工況2:自重+水壓。在自重+水壓荷載作用下,最大豎直向變形發(fā)生在過水橋跨中部位,最大變形為9.174 mm(見圖9)。過水橋跨中部底下兩側(cè)部沿過水橋長(zhǎng)度方向的拉應(yīng)力最大,其值為6.32 MPa(見圖10、圖11)。

        圖9 豎直向變形分布(單位:m)

        圖10 水平向(槽身向)應(yīng)力分布(單位:P a)

        圖11 水平向(槽身向)超過1.71 MP a的應(yīng)力分布(單位:P a)

        4.3.2 加預(yù)應(yīng)力三維有限元分析

        建立過水橋結(jié)構(gòu)整體三維有限元分析模型,如圖4所示。過水橋長(zhǎng)度方向?yàn)閅向,水平向?yàn)閄向,豎直向?yàn)閆向?;炷两Y(jié)構(gòu)采用空間8結(jié)點(diǎn)六面體單位,少量6結(jié)點(diǎn)棱柱退化單元,預(yù)應(yīng)力鋼筋采用桿單元。加預(yù)應(yīng)力時(shí),其預(yù)應(yīng)力鋼筋布置如圖12所示,模型共剖分71 626個(gè)結(jié)點(diǎn),41 466個(gè)實(shí)體單元、10 456個(gè)桿單元。其余邊界和荷載條件與不加預(yù)應(yīng)力時(shí)一樣。預(yù)應(yīng)力大小為1 032 N/mm2。

        圖12 預(yù)應(yīng)力鋼筋布置圖

        (1)工況1:僅自重。在僅自重荷載作用下,最大豎向變形發(fā)生在過水橋跨中部位,最大變形為0.692 mm(見圖13)。過水橋上部沿過水橋長(zhǎng)度方向的拉應(yīng)力最大,其值為0.925 MPa(見圖14)。

        圖13 豎向變形分布(單位:m)

        圖14 水平向(槽身向)應(yīng)力分布(單位:P a)

        (2)工況2:自重+水壓。

        在自重+水壓荷載作用下,最大豎向變形發(fā)生在過水橋跨中部位,最大變形為3.937 mm(見圖15)。過水橋跨中部底下兩側(cè)部沿過水橋長(zhǎng)度方向的拉應(yīng)力最大,其值為2.66 MPa(見圖16)。

        圖15 豎向變形分布(單位:m)

        圖16 水平向(槽身向)應(yīng)力分布(單位:P a)

        5 結(jié)果分析

        根據(jù)以上有無加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,取得其計(jì)算的最大豎直向位移值和槽身向的拉應(yīng)力值見表1。

        表1 有無加預(yù)應(yīng)力數(shù)值計(jì)算成果對(duì)比

        工況1下(僅自重),加預(yù)應(yīng)力時(shí)最大豎向位移向上,最大拉應(yīng)力在頂部過水橋;而沒有加預(yù)應(yīng)力時(shí)最大豎直向位移向下,最大拉應(yīng)力在底中部過水橋。這是由于底部預(yù)應(yīng)力筋比上部多,形成拱效應(yīng)造成的。工況2下(自重+水壓):不管有無加預(yù)應(yīng)力,其位移和應(yīng)力的最大值在同側(cè)取得,但是沒有加預(yù)應(yīng)力計(jì)算的位移值和應(yīng)力值比有加預(yù)應(yīng)力計(jì)算的位移值和應(yīng)力值大。

        通過以上分析可知,通過預(yù)應(yīng)力鋼筋的施加,可以大大減少運(yùn)行期的混凝土拉應(yīng)力,但在完建期會(huì)出現(xiàn)上拉下壓的拱效應(yīng)。而且,過水橋底部的預(yù)應(yīng)力值越大,完建期的拱效應(yīng)越明顯,但運(yùn)行期的混凝土拉應(yīng)力也就越小。

        結(jié)構(gòu)力學(xué)法及三維有限元分析法表明,對(duì)30 m跨槽身施加縱向預(yù)應(yīng)力后,結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)明顯改變,各控制截面的拉應(yīng)力均大幅降低。

        6 結(jié)語(yǔ)

        根據(jù)湫湖灌區(qū)1號(hào)過水橋特點(diǎn),運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)法和三維有限元方法對(duì)槽身位移及應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算,得出以下結(jié)論:

        (1)采用三維有限元模型對(duì)過水橋在施加預(yù)應(yīng)力條件下進(jìn)行內(nèi)力及位移進(jìn)行計(jì)算,經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證是可行的,可供類似工程參考。

        (2)結(jié)構(gòu)力學(xué)法及三維有限元分析法表明,對(duì)30 m跨槽身施加縱向預(yù)應(yīng)力后,結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)明顯改變,各控制截面的拉應(yīng)力均大幅降低,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。

        建成后1號(hào)過水橋如圖17所示。

        圖17 建成后1號(hào)過水橋

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