刘黎明，张家锐

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045；2.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

0 前 言

渡槽又称高架渠，是由桥梁、隧道或沟渠构成的架空水槽，是引水工程中常用的建筑物。渡槽结构静力分析建立不同形式模型的研究手段主要有两种，为三维有限元法和解析法[1]。为分析董家村渡槽正常运营过程的强度和刚度，本文采用三维有限元分析法，建立董家村渡槽模型，然后对正常运行时渡槽槽体的主应力、迎水面应力和位移进行分析，从而校核董家村渡槽的强度与刚度安全。

近年来，在渡槽结构静力分析研究中，取得的成果如下所示：王森林等[2]采用有限单元法对洺河渡槽进行了结构静力分析，得到了槽身结构的应力和变形分布情况。潘旦光等[3]用解析法对半椭圆形薄壳渡槽进行内力分析，提出了一种无横拉杆的渡槽结构形式，然后进行公式推导，以计算薄壳渡槽的内力。彭华等[4]采用三维有限元法分析了大型上承式桁架拱渡槽后，采用局部加大处理的方式更好地解决拱脚压应力大的问题。高小翠等[5]采用有限元法分析了大型预应力混凝土箱式渡槽，得到合理布置渡槽预应力锚索可以满足渡槽的应力变形的结论。牛贺道等[6]对U型薄壳渡槽进行有限元分析，结果表明，该种渡槽的变形小且应力分布均匀。李宗坤等[7]对渡槽结构建立了相应的有限元模型，然后进行计算分析，并提出合理的结构尺寸调整措施。曹广德等[8]针对U形薄壳渡槽槽身的应力变形问题，采用了三维非协调强化假定应变等参单元求解的方法，对渡槽槽身某截面的约束内力进行了直接求解，并对计算结果的影响进行了探讨。姚威等[9]运用有限元法对某预应力渡槽进行的仿真分析，验证了该设计方案能满足规范要求。蒋兵[10]通过对新疆某预应力渡槽的分析，得出了有效提高槽身抗变形能力和力学性能的方法。胡淦等[11]使用ANSYS对大型通航渡槽结构进行分析，认为渡槽槽身结构在动静力作用下，槽身部分区域需要优化，合理布置纵向抗拉钢筋可解决跨拉应力较大的问题。

1 工程概况

本文选取了董家村渡槽的典型跨度为研究对象。董家村渡槽设计流量120 m3/s，槽身全长238.943 m，槽身为简支预应力C50混凝土结构，三箱矩形断面型式，共计8跨，其中槽身跨度30 m的共7跨，槽身跨度28.943 m的共一跨。断面净尺寸(3～5) m×4.2 m，底板厚0.5 m，边墙及中墙厚0.6 m，拉杆尺寸为0.3 m×0.4 m，间距2.5 m，底肋断面尺寸为0.5 m×0.9 m，间距2.5 m，边、中墙顶翼缘两侧均设栏杆，保护检修人员安全。渡槽共布置7个中墩、2个边墩。槽墩采用C25钢筋混凝土实心墩，高度为6.4～8.4 m，中墩最大截面尺寸19.44 m×4.34 m，墩帽平面尺寸19.8 m×4.7 m，高2 m。柱墩基础采用C25钢筋混凝土，基础平面尺寸23.54 m×8.44 m，高2 m。

2 分析条件与模型

2.1 材料参数

董家村渡槽材料设计参数等如表1所示。

表1 董家村渡槽材料参数表

2.2 有限元建模

董家村渡槽是三维实体预应力结构，本文采用三维等参单元模拟了槽身混凝土和槽墩，采用杆单元模拟预应力钢绞线，采用刚杆单元和板壳单元模拟支座。董家村渡槽有限元整体模型如图1所示。

图1 董家村渡槽有限元模型图

其中，槽身混凝土共有78 329个单元，预应力钢绞线及预应力钢筋共有16 830个单元，槽墩混凝土共有19 326个单元，支座共有1 424个单元。共有单元121 329个单元，126 842个节点，380 526个自由度。整体坐标系以槽体纵断面中心线与槽墩横断面中心线的交点为原点，x为横槽向，y为竖直方向，z为顺槽向。

2.3 工况组合

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)的要求，本文选取了正常运营时的两个基本静力工况组合，如表2所示。其中：荷载组合1是夏天运营工况，主要的荷载有自重、水荷载、风荷载、人群荷载和温升；荷载组合2是冬天运营工况，主要的荷载有自重、水荷载、风荷载、人群荷载和温降。

表2 董家村渡槽静力工况组合

3 计算结果分析

在上述计算条件和有限元模型下，分析了每个工况组合荷载作用下董家村渡槽槽体的主应力及迎水面的环向应力分布，并对槽体的位移情况进行说明。正常运行时，在两种工况荷载作用下，对槽体的应力分析结果能反映它的强度安全情况，槽体位移数值的大小则反映了槽体的刚度安全情况。

3.1 主应力分析

1)在工况1荷载作用下，槽体第一主应力的最大值为17 MPa，发生在侧肋竖向预应力螺纹钢筋的锚垫板下面，属于由预应力筋引起的应力集中现象，第一主应力的最小值为-11.3 MPa，与第一主应力的最大值相伴产生；槽体大部分的第一主应力在-10.00～1.0 MPa。槽体第三主应力的最大值为0.54 MPa，发生在侧肋与边墙顶板交汇处螺纹钢筋的锚垫板下面，属于应力集中现象，第三主应力的最小值为-9.34 MPa，与第三主应的最大值相伴产生；槽体大部分的第三主应力在-10～0 MPa。

2)在工况2荷载作用下，槽体第一主应力的最大值为18.1 MPa，发生在边肋竖向预应力螺纹钢筋的锚垫板下面，属于由预应力筋引起的应力集中现象，第一主应力的最小值为-10.7 MPa，与第一主应的最大值相伴产生；槽体大部分的第一主应力在-23.1～1.00 MPa。槽体第三主应力的最大值为2.46 MPa，发生在侧肋与边墙顶板交汇处螺纹钢筋的锚垫板下面，属于应力集中现象，第三主应力的最小值为-28.5 MPa，与第三主应的最大值相伴产生；槽体大部分的第三主应力在-10.0～0.50 MPa。

3.2 迎水面应力分析

1)在工况1荷载作用下，槽体跨中和1/4断面迎水面处，都发现各槽环向大部分受压，槽底板处部分受拉，其中1/4断面处压应力最大，压应力最大值为-7.15 MPa，且受拉区最大拉应力为0.99 MPa；槽体底板迎水面中线发现纵向受压，压应力最大值为-2.25 MPa。迎水面所受应力都在C50混凝土的抗拉、抗压设计值范围内，迎水面不会开裂。

2)在工况2荷载作用下，槽体跨中和1/4断面迎水面都发现环向受压，且1/4断面处压应力最大，压应力最大值为-6.53 MPa；槽体底板迎水面中线发现纵向受压，压应力最大值为-3 MPa。迎水面所受应力都在C50混凝土的抗压设计值范围内，迎水面不会开裂。

3.3 位移分析

正常运行时，在两种工况荷载作用下槽体的横竖向位移如表3所示，可看出，在工况1荷载作用下竖向位移最大，为2.35 mm，其相对位移为1/12766，远小于《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)的1/500。

表3 工况荷载作用下的位移

4 结 语

在各工况荷载作用下，除在预应力钢绞线锚垫板下的应力超过混凝土的抗拉、抗压设计强度，其余大部分地方的应力在C50混凝土的抗拉、抗压设计强度之内，不会发生强度失效。渡槽槽体横向迎水面上的环向应力和纵向底板上纵向应力都小于混凝土的抗压、抗拉强度设计值，迎水面不会开裂，可保证槽体混凝土在水环境下的耐久性安全。

渡槽在两种工况作用下，竖向位移最大为2.35 mm，相对位移为1/12766，相对位移远小于《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)的1/500，所以，渡槽的刚度满足要求。在应力集中点处，混凝土材料会进入塑性阶段，应力会随塑性的发展而重新分布，且预应力锚垫板下面都有加强钢筋，实践表明，不会发生裂缝。

在正常运行情况下，渡槽结构的强度和刚度均满足要求，该分析结果可为董家村渡槽的设计提供理论支撑。

[ID:012686]