孫宇飛,王海婷

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 引言

灃峪渡槽位于秦嶺北麓灃峪口,是黑河輸水渠道的重要輸水建筑物,渡槽上部行水結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆250#鋼筋混凝土長度67.48 m,設(shè)計流量14 m3/s,加大流量15 m3/s,下部支撐為拱板,主拱圈為變截面懸鏈線無鉸拱,拱軸系數(shù)采用1.347,拱跨40 m,采用現(xiàn)澆 250#鋼筋砼,主拱圈上為現(xiàn)澆250#鋼筋砼單肢排架,排架間距5 m。邊跨排架高6.79 m,拱墩采用150#現(xiàn)澆鋼筋砼,高2.2 m,寬2.4 m,長4.0 m,置于微風(fēng)化基巖上[1-3]。

灃峪渡槽1994年建成并投入使用,承擔(dān)著西安市的供水任務(wù),現(xiàn)已運(yùn)行近二十年,為保證渡槽的安全運(yùn)行,需對渡槽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。渡槽在不同荷載、不同的荷載組合作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形狀態(tài)較復(fù)雜,采用一般的計算方法很難準(zhǔn)確地反映在各種運(yùn)行工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的實際分布及變形規(guī)律[4]。

宋兵偉等[5]采用ANSYS 有限元軟件通過三維有限元數(shù)值模擬計算的方式對英那河渡槽進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,考慮了在多種荷載因素影響下的主拱圈的應(yīng)力和變形。甘磊等[6]采用ABAQUS 軟件建立三維有限元計算模型,結(jié)合均質(zhì)化理論,分析了應(yīng)力、位移、沉降等因素對于渡槽結(jié)構(gòu)的影響,綜合評價了渡槽的結(jié)構(gòu)安全性能。羅日洪等[7]人優(yōu)化了模糊綜合評價法（FCE）,綜合主觀權(quán)重與客觀權(quán)重,并引進(jìn)全優(yōu)型合成算子計算總目標(biāo)隸屬度,再與對應(yīng)的風(fēng)險等級進(jìn)行加權(quán)綜合得到風(fēng)險度,以此確定渡槽的安全類別。張偉[8]采用Midas 對舒廬干渠泉水堰渡槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析,能夠較為直觀的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)計算和驗算,達(dá)到工程分析的進(jìn)度要求。何利濤等[9]采用有限元仿真技術(shù)分析了渡槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形,結(jié)果表明通過預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)可以有效控制渡槽結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力。

本文選用Midas 有限元軟件構(gòu)建渡槽三維計算模型,通過模型計算的方式對渡槽槽身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1 有限元模型基本參數(shù)

1.1 計算模型參數(shù)

結(jié)構(gòu)復(fù)核計算中選取平面有限元方法進(jìn)行,槽身、主拱圈采用三維整體計算模型,支架分構(gòu)件建模,渡槽上部欄桿及路面做法轉(zhuǎn)換為二期荷載施加,人群按移動荷載施加,整體計算所采用的單元和連接形式見表1。

表1 模型單元及連接參數(shù)

1.2 荷載參數(shù)

計算的荷載參數(shù)包括自重（含槽箱、主拱、墩帽、墩柱）、二期荷載、水重、風(fēng)荷載、整體升溫及降溫、梯度升溫及降溫等。

1.3 荷載效應(yīng)組合

渡槽承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合：

（1）組合1：基本組合

永久荷載對結(jié)構(gòu)不利：

永久荷載對結(jié)構(gòu)有利：

（2）組合2：偶然組合

永久荷載對結(jié)構(gòu)不利：

式中：SGik為自重等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；SQik為一般可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；SAk為偶然荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。

1.4 結(jié)構(gòu)計算模型

灃峪渡槽有限元模型見圖1。

圖1 灃峪渡槽空間分析計算模型

2 承載力驗算方法

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL 191-2008）的規(guī)定,渡槽構(gòu)件承載力采用下列公式驗算[10]：

式中：K 為承載力安全系數(shù),按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL 191-2008）的規(guī)定選用；S 為荷載效應(yīng)組合設(shè)計值；R 為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力設(shè)計值,由材料的強(qiáng)度設(shè)計值及截面尺寸等因素計算得出。

3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算

3.1 槽身結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果,所檢構(gòu)件強(qiáng)度均滿足設(shè)計值,在模型計算時均按照設(shè)計時材料強(qiáng)度取值,即：250#混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為11.9 MPa,軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.78 MPa；鋼筋為HPB235,軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為210 MPa。

3.2 荷載工況及內(nèi)力計算

3.2.1 荷載工況

（1）工況一

空槽運(yùn)行工況：荷載考慮渡槽和橋墩自重、二期荷載及風(fēng)荷載,荷載應(yīng)組合考慮組合1（基本組合）,永久荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

（2）工況二

設(shè)計水位運(yùn)行工況：在考慮結(jié)構(gòu)自重、二期荷載和風(fēng)荷載的基礎(chǔ)上,添加設(shè)計水位、整體升溫降溫、梯度升溫降溫引起的荷載變化,荷載效應(yīng)組合考慮組合1（基本組合）,永久荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

（3）工況三

極限運(yùn)行工況：在工況二的運(yùn)行工況中將設(shè)計水深更改為滿槽水深,效應(yīng)組合按照組合2（偶然組合）。

3.2.2 內(nèi)力計算

按照現(xiàn)場實際檢測結(jié)果,建立有限元模型,計算跨跨中附近截面和支座附近截面各工況承載能力極限狀態(tài)下內(nèi)力計算結(jié)果及正常使用極限狀態(tài)下跨中彎矩計算結(jié)果見表2,各狀態(tài)下內(nèi)力云圖見圖2、圖3。

圖2 渡槽承載能力極限狀態(tài)下各工況內(nèi)力圖

圖3 渡槽正常使用極限狀態(tài)各工況內(nèi)力圖

表2 各工況下極限狀態(tài)內(nèi)力計算結(jié)果

3.3 正截面受彎承載力驗算

按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL 191-2008）中第6.2節(jié)的相關(guān)要求對渡槽縱向承載力進(jìn)行復(fù)核[10]。組合1（基本組合）安全系數(shù)不小于1.2,組合2（偶然組合）安全系數(shù)不小于1.0。

槽身正截面抗彎承載力計算結(jié)果見表3。計算結(jié)果表明,灃峪渡槽槽身構(gòu)件縱向計算的正截面抗彎承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表3 槽身縱向正截面抗彎承載力計算結(jié)果

3.4 斜截面受剪承載力驗算

槽身斜截面受剪承載力復(fù)核計算選取支座附近處進(jìn)行復(fù)核,按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL 191-2008）中第6.5.1條和6.5.3 條的要求分別進(jìn)行截面復(fù)核和承載力復(fù)核[10]。

（1）截面復(fù)核

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面抗剪承載力中截面安全系數(shù)范圍限值為：組合1（基本組合）安全系數(shù)不小于1.2, 組合2（偶然組合）安全系數(shù)不小于1.0。槽身構(gòu)件支座附近截面承載力截面復(fù)核計算結(jié)果見表4。結(jié)果表明,該槽身結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力中截面滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表4 槽身斜截面抗剪承載力中截面計算結(jié)果

（2）承載力復(fù)核

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面抗剪承載力安全系數(shù)范圍限值為：組合1（基本組合）安全系數(shù)不小于1.2,組合2（偶然組合）安全系數(shù)不小于1.0。槽身構(gòu)件支座附近截面承載力復(fù)核計算結(jié)果見表5。結(jié)果表明,該槽身結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力中承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表5 槽身斜截面抗剪承載力中截面承載力復(fù)核計算結(jié)果

3.5 槽身抗滑穩(wěn)定復(fù)核

槽身結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1按照下式計算：

式中：fb為支座摩擦系數(shù),取0.06；N1為槽身無水時的自重,取635.4 kN；P1為作用于槽身的水平向風(fēng)壓力,取24.23 kN。

抗滑動穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)范限值為1.5。經(jīng)計算,灃峪渡槽槽身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.6,滿足規(guī)范要求。

3.6 槽身抗傾覆穩(wěn)定復(fù)核

槽身結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K1按照下式計算：

式中：Mn為抗傾覆力矩,5 m 跨空槽時Mn=1127.8 kN·m；Mp為傾覆力矩,5 m 跨風(fēng)荷載Mp=43.0 kN·m。

抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)范限值為1.1。灃峪渡槽槽身抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為26,滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文通過對灃峪渡槽各部位構(gòu)建計算模型,得出如下結(jié)論：

（1）經(jīng)復(fù)核計算可知,灃峪渡槽的槽身縱向計算的正截面抗彎承載力、槽身結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力中截面、槽身結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力中承載力均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,綜合評價該渡槽槽身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

（2）可以采用Midas 有限元軟件通過構(gòu)建渡槽槽身結(jié)構(gòu)的三維計算模型來對其進(jìn)行安全復(fù)核,各項參數(shù)的計算能夠滿足規(guī)范對于驗算參數(shù)計算的要求。