大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)渡槽計算

李 娜

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

1 工程概況

廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)工程設(shè)計灌溉面積128.79萬畝，灌區(qū)渠首取水口設(shè)計引水流量為70 m3/s，屬Ⅱ等大（2）型灌區(qū)。該工程分為兩個建設(shè)周期，一期建設(shè)總干渠灌片及北干渠灌片，二期建設(shè)南干渠灌片。南干渠灌片設(shè)計灌溉面積74.11萬畝，渠首設(shè)計引水流量為34.02 m3/s。

劉家村渡槽位于遷江分干渠跨越清水河輸水渠道段，為遷江分干渠關(guān)鍵建筑物。劉家村渡槽設(shè)計輸水流量為10.50 m3/s，加大輸水流量為13.13 m3/s，設(shè)計縱坡1/4000，設(shè)計水面線高程為96.02～95.79 m。劉家村渡槽全長933.6 m，主槽上部槽身采用混凝土簡支梁結(jié)構(gòu)，跨河及河灘段共布置6 跨50 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)渡槽，其它渡槽段采用12.024～15 m跨徑矩形槽簡支梁結(jié)構(gòu)。渡槽50 m跨徑箱梁跨中截面梁高4.25 m，支座截面梁高4.35 m，箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱、橫、豎三向均設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束；箱梁段渡槽下部采用C30（2）混凝土薄壁空心墩，墩基用采用混凝土擴大基礎(chǔ)。12.024～15 m跨徑矩形槽采用C30（1）普通混凝土結(jié)構(gòu)，梁高3.9 m，矩形槽段渡槽下部采用鋼筋混凝土重力墩或排架，墩基采用混凝土擴大基礎(chǔ)，對于局部穿越煤礦開采回填區(qū)段則采用樁基礎(chǔ)處理。50 m 跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)渡槽具體工程布置見圖1，斷面圖見圖2。

圖1 150 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)渡槽縱剖面

2 計算條件和方法

以劉家村渡槽50 m 跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁為例，根據(jù)水庫渡槽的結(jié)構(gòu)特點，劃分為縱向、豎向及橫向三向預(yù)應(yīng)力鋼束，利用Midas 有限元軟件進行設(shè)計計算。計算使用的基本單位為s（時間）、kg（質(zhì)量）、kN（力）、m（長度）。

圖2 250 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)渡槽橫斷面及預(yù)應(yīng)力鋼束布置

2.1 槽身縱向預(yù)應(yīng)力鋼束計算分析

取劉家村渡槽49.96 m預(yù)應(yīng)力渡槽混凝土整體結(jié)構(gòu)作為計算對象。渡槽縱向承受自重，槽內(nèi)水重及其他荷載重量，沿渡槽縱向截取單位槽長進行軟件計算，模型采用直角坐標(biāo)系，以順?biāo)较驗閄軸，下游方向為正；垂直水流方向為Y 軸，左岸指向為正；豎直向為Z軸，向上為正。計算單元數(shù)量選取：1 個施工階段，30 個梁單元；31 個節(jié)點數(shù)量；296 束鋼束；2個邊界條件，計算模型見圖3。

圖3 渡槽Civil有限元計算模型

2.2 槽身橫向內(nèi)力及結(jié)構(gòu)計算

渡槽箱梁截面形式采用單箱單室，橫向分析沿縱槽向取單位長度槽身為計算單元，計算考慮渡槽頂板（1束）、底板的橫向預(yù)應(yīng)力鋼束（2束）和腹板豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋（每側(cè)腹板2 根）；框架腹板處的約束按簡支考慮。箱梁橫向分析計算采用進行結(jié)構(gòu)分析，取跨中1 m 箱梁為結(jié)構(gòu)分析對象，共劃分為32個單元和34個節(jié)點。單元劃分情況見圖4。

圖4 渡槽橫向有限元計算模型

2.3 邊界條件設(shè)計及計算假定

由于溫變場對混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫影響較大，計算時需考慮其對結(jié)構(gòu)的影響。同時，計算時欄桿均簡化為均布荷載施加。渡槽支座處采用簡支約束。

2.4 計算工況及荷載組合

渡槽在進行結(jié)構(gòu)計算時，需考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、人群荷載、水荷載、溫度荷載（溫升、溫降及溫度梯度）、支座沉降及鋼束張拉控制力等荷載的作用。參考《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2015）相關(guān)規(guī)定進行工況組合，計算時選用的控制工況有9種，包括設(shè)計水荷載組合工況3種、加大水荷載組合工況3種及空槽荷載組合工況3種。

2.5 其他說明

按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）附錄F計算收縮和徐變系數(shù)，年平均相對濕度取78%，加載齡期按7 d考慮。

構(gòu)件類型：全預(yù)應(yīng)力。設(shè)計安全等級采用一級，構(gòu)件采用現(xiàn)澆制作，預(yù)應(yīng)力張拉形式為后張法。

3 結(jié)構(gòu)有限元計算方法

運用有限元軟件Midas/Civil對渡槽的三向預(yù)應(yīng)力鋼束進行設(shè)計計算。按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362-2018）對結(jié)構(gòu)進行使用階段正截面抗彎驗算、使用階段抗扭驗算、箱梁支座承載力驗算、使用階段正截面抗裂驗算、使用階段斜截面抗裂驗算、使用階段的撓度驗算、箱梁正截面混凝土法向壓應(yīng)力、箱梁正截面混凝土主壓應(yīng)力、持久狀況預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力驗算。

3.1 縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋計算結(jié)果

（1）預(yù)應(yīng)力鋼束。Φs15.2的鋼絞線，共296束，其中底板為8×19Φs15.2直線型預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單側(cè)腹板為4×18Φs15.2曲線型預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

（2）普通鋼筋。采用直徑為16 的HRB400 鋼筋，間距150 mm。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)縱向設(shè)計狀態(tài)計算過程中，計入縱向普通鋼筋的貢獻(xiàn)。

3.2 橫向結(jié)構(gòu)計算

對縱槽向單位長度框架箱梁進行了橫向靜力分析，充分考慮了荷載效應(yīng)的影響，限裂驗算結(jié)果表明：箱梁橫向在最不利組合作用下裂縫寬度僅0.01 mm，滿足本計算制定的控制指標(biāo)。承載力驗算結(jié)果中，頂板、底板按抗彎構(gòu)件進行抗彎、抗剪承載力驗算，腹板按偏心受壓構(gòu)件進行承載力驗算，計算結(jié)果均滿足有關(guān)規(guī)范要求。

經(jīng)過橫向結(jié)構(gòu)計算，渡槽箱梁頂板橫向鋼束單束采用3Φs15.2@1000 高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線、腹板豎向和底板橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用2 根JL32@500精軋螺紋鋼筋。

3.3 箱梁撓度計算

箱梁由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的反拱值為16.1 mm，長期增長系數(shù)取2.0，則預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的長期反拱值為：16.1×2=32.2 m＜50.9 mm，箱梁應(yīng)設(shè)預(yù)拱度，跨中預(yù)拱度值取20 mm。箱梁撓度驗算見表1。

表1 箱梁撓度驗算

3.4 箱梁支座承載力計算

在最不利組合工況下槽身兩端支座的最大支座反力值小于GPZ（Ⅱ）6 支座的最大容許承壓力，支座承載力滿足規(guī)范要求。最不利荷載組合工況下的支座反力值見表2。

表2 最不利荷載組合工況下的支座反力統(tǒng)計 kN

4 結(jié)語

本文根據(jù)水庫引水灌區(qū)渡槽的結(jié)構(gòu)特點，運用有限元軟件Midas/Civil 對渡槽縱向、豎向及橫向三向預(yù)應(yīng)力鋼束進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法詳細(xì)分析了渡槽的內(nèi)力情況，并全面研究了預(yù)應(yīng)力渡槽的縱向及橫向的應(yīng)力變形問題，精確擬定出預(yù)應(yīng)力渡槽結(jié)構(gòu)布置形式、成果及普通鋼筋配筋成果，為后續(xù)工程設(shè)計、施工等相關(guān)技術(shù)活動提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。