南水北調(diào)中線沙河渡槽空心墩結(jié)構(gòu)分析方法淺析

□申 魯 □張文峰（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司）

1.概述

南水北調(diào)中線沙河渡槽工程全長9.05km，包含梁式渡槽、箱基渡槽、落地槽3種結(jié)構(gòu)型式，其中梁式渡槽長1710m。沙河梁式渡槽單跨跨度為30m，槽身采用U型薄壁結(jié)構(gòu)，下部支撐結(jié)構(gòu)為空心墩，基礎(chǔ)采用樁基。

沙河梁式渡槽采用雙線四槽布置型式，每條線路布置一排槽墩，每排槽墩支撐兩排槽片。每個槽墩承受重量包含兩榀槽片自重以及相應(yīng)槽內(nèi)水重，最大承重53964kN，承受如此大重量的空心墩臺，在國內(nèi)水利工程建設(shè)領(lǐng)域十分罕見。因此，選擇合理的空心墩結(jié)構(gòu)分析方法，對渡槽的結(jié)構(gòu)安全十分關(guān)鍵。

2.空心墩結(jié)構(gòu)分析方法

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸及計(jì)算工況

沙河梁式渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)為空心墩，基礎(chǔ)采用樁基?？招亩斩彰遍L22.4m，寬5.6m，高2m；墩身長22m，寬5.6m，兩端頭為半徑2.8m的半圓，墩高5～12m，墩壁厚1m，中間設(shè)三道1m厚隔板；墩底承臺長23.2m，寬7.6m，高3m。每個墩臺下順槽向設(shè)2排灌注樁，每排樁數(shù)5根，共10根?？招亩栈炷翉?qiáng)度等級為C30，灌注樁混凝土強(qiáng)度等級為C25。空心墩主要結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

空心墩承受荷載包括槽重、槽內(nèi)水重、自重、風(fēng)荷載等，經(jīng)分析，確定以下兩種工況作為典型工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

工況1：運(yùn)行期，槽內(nèi)設(shè)計(jì)水深，有風(fēng)。

工況2：下游落閘，槽內(nèi)滿水，無風(fēng)。

2.2 傳統(tǒng)力學(xué)分析法

圖1 沙河梁式渡槽槽墩及樁基結(jié)構(gòu)圖

空心墩由墩帽、墩身、承臺三部分組成，結(jié)構(gòu)分析過程中，將這三部分根據(jù)各自受力特點(diǎn)分別進(jìn)行簡化計(jì)算，求出各部分的結(jié)構(gòu)內(nèi)力或應(yīng)力。

2.2.1 墩帽

空心墩的墩帽，屬周邊支撐的厚板，計(jì)算中可將墩帽簡化成支撐在墩壁上的雙向板。墩帽承受的荷載主要是支座部位的壓力，支座壓力經(jīng)墊石擴(kuò)散傳遞后，可以看成作用在墩帽上的均布荷載。墩帽的實(shí)際支撐型式介于固定與簡支之間，計(jì)算中分別按板四邊固定和四邊簡支兩種型式計(jì)算板中和支座部位的彎矩。

根據(jù)以上分析，將墩帽簡化成四邊支撐承受均布荷載的雙向板，按《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊》中板的內(nèi)力計(jì)算表格計(jì)算墩帽各部位的彎矩。墩帽各部位彎矩計(jì)算成果見表1～表2。

根據(jù)表中計(jì)算成果，選取兩種支撐型式下板中和支座部位彎矩的大值作為控制彎矩進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。

表1 四邊固支條件下墩帽彎矩計(jì)算成果表

表2 四邊簡支條件下墩帽彎矩計(jì)算成果表

2.2.2 墩身

墩身承受的荷載主要為豎向力、風(fēng)荷載、墩身與墩帽、承臺接觸部位的固端干擾應(yīng)力等，可按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算墩身截面應(yīng)力，計(jì)算采用《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊—橋梁墩臺》中推薦公式。

墩身截面應(yīng)力計(jì)算成果見表3。

表3 墩身截面應(yīng)力計(jì)算成果表

根據(jù)表中計(jì)算成果，墩身截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力1.746 MPa，遠(yuǎn)小于墩身混凝土抗壓強(qiáng)度，墩身截面可按構(gòu)造配筋。

2.2.3 承臺

承臺可以看成由兩排樁支撐的單向板，頂面承受由墩身傳遞下來的壓力。將墩身壓力作為均布荷載，樁頂反力作為集中力，向下的壓力和向上的反力平衡，采用截面法計(jì)算承臺內(nèi)力。

承臺彎矩計(jì)算成果見表4。

表4 承臺彎矩計(jì)算成果表

2.3 三維有限元分析法

采用上述分析方法可以較清楚地計(jì)算出空心墩各部位的內(nèi)力或應(yīng)力，從而進(jìn)行配筋計(jì)算。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析方法的合理性和可靠性，以下采用三維有限元法對空心墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

2.3.1 計(jì)算模型及邊界條件

沙河渡槽空心墩墩身高度5～11m，計(jì)算選取位于河槽中間，墩身高度為11m的墩臺建立實(shí)體有限元模型。計(jì)算程序采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，墩臺采用SOLID45實(shí)體單元模擬，約束型式采用將樁位處作為固端約束。

2.3.2 計(jì)算工況及計(jì)算成果

有限元復(fù)核選取下游落閘，槽內(nèi)滿水，無風(fēng)工況。

有限元計(jì)算成果見表5。

表5 空心墩應(yīng)力計(jì)算成果表

2.4 兩種方法成果對比分析

根據(jù)有限元計(jì)算成果，墩帽橫槽向及順槽向最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在跨中，分別按跨中彎矩和截面應(yīng)力圖進(jìn)行墩帽配筋計(jì)算，對比二者計(jì)算成果可知，按彎矩計(jì)算配筋量略大于按應(yīng)力圖計(jì)算配筋量，由此可見將墩帽簡化成雙向板進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算是可行的，且計(jì)算成果偏于安全。

兩種方法計(jì)算成果顯示，墩身基本處于受壓狀態(tài)，按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，墩身不出現(xiàn)拉應(yīng)力，根據(jù)有限元計(jì)算成果，墩身局部存在拉應(yīng)力（位于墩帽與墩身交接部位），但拉應(yīng)力值小于墩身混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，墩身截面可按構(gòu)造配筋。

根據(jù)有限元計(jì)算成果，承臺最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在兩排樁中間，由此可見，將承臺看成由兩排樁支撐的單向板，采用截面法計(jì)算承臺內(nèi)力，根據(jù)內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算是可行的。由于承臺橫槽向最大拉應(yīng)力略小于順槽向，可將承臺橫槽向配筋取與順槽向相同。

3.結(jié)論及建議

3.1 采用傳統(tǒng)力學(xué)方法進(jìn)行沙河渡槽下部空心墩受力分析時，可將墩帽、墩身、承臺三部分分別簡化成雙向板、偏心受壓柱以及由兩排樁支撐的單向板，計(jì)算各部分的結(jié)構(gòu)內(nèi)力或應(yīng)力。

3.2 根據(jù)與有限元計(jì)算成果對比可以看出，采用以上方法計(jì)算的成果合理可靠，該方法可以應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。

3.3 對于沙河渡槽這種承受大噸位荷載的空心墩結(jié)構(gòu)，采用有限元復(fù)核是必要的，有限元計(jì)算成果顯示，在墩帽與墩身接觸部位局部存在拉應(yīng)力，對于這種情況可采用局部增大配筋或在墩帽與墩身接觸部位設(shè)置過渡段的方式解決。

[1]翟淵軍，朱太山，等.南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河南～黃河南沙河渡槽工程招標(biāo)設(shè)計(jì)報(bào)告[R].鄭州：河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，2009.

[2]建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊編寫組.建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1975.

[3]鐵道部第四勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊—橋梁墩臺[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[4]鈕新強(qiáng)，汪基偉，等.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2008.