（水利工程专业论文）南水北调中线工程大型渡槽三向预应力槽身结构设计.pdf

中文摘要 半个多世纪以来，特别是八十年代以后，随着农业、工业及生活用水的不断 增长的需要，渡槽在过水流量、结构型式、施工方法等方面不断得到发展，流量 由凡立方米每秒发展到上百立方米每秒。 南水北调中线工程属特大型跨流域调水工程，由于南水北调中线工程总干渠 为自流输水，水头紧张，可以分配给各座渡槽的水头损失较小，因而槽身过水断 面很大。由于工程的重要性及工程规模的庞大，采用常规钢筋混凝土结构不但不 易解决槽身结构防渗抗裂的问题，还将造成槽身结构的槽壁与底板等很厚，大大 增加自重，引起上部结构以及下部结构工程量的大大增加，而使工程很不经济合 理。因此为了达到增加渡槽跨度并减小槽身结构尺寸的目的，槽身结构采用三向 预应力混凝土结构体系，利用预应力施工技术，充分发挥材料的性能，在满足材 料强度及结构使用条件的前提下可有效的减薄底板及侧墙的厚度，从而使工程经 济合理。 本课题主要针对南水北调中线渡槽结构的超大型及复杂性的特点，从中选择 一个典型渡槽，采用结构力学的方法，根据有关设计规范的要求对其槽身进 行三向预应力混凝土设计，并且通过不同跨度的比较研究三向预应力混凝土结构 的受力特性及设计思路，使其一方面既要满足结构受力以及防渗抗裂的要求，另 外又要使工程经济合理。 关键词：渡槽南水北调结构型式预应力支承方式跨度 a b s t r a c t m o r et h a nh a l fac e n t u r y , e s p e c i a l l ya f t e rt h e19 8 0 s ，w i t ht h ei n c r e a s eo fw a t e r n e e d e di na g r i c u l t u r e ，i n d u s t r ya n dl i f e ，t h ea q u e d u c ti sd e v e l o p i n gi nw a t e rr u n o f f , s t r u c t u r et y p ea n dc o n s t r u c t i o nm e t h o da n ds oo n ，t h er u n o f fi sd e v e l o p i n gf r o m s e v e r a lm 3 st os e v e r a lh u n d r e dm 3 s t h ep r o j e c to fs o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e ri sag r e a tp r o j e c t ，b e c a u s et h ew a t e r o ft h ep r o j e c to fs o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e rf l o wa u t o m a t i c a l l y , l i t t l el o s sa l l o w e d f o re v e r ya q u e d u c ts ot h es i z ei sb i g a st h ep r o j e c ti s i m p o r t a n ta n dh u g e ，g e n e r a l r e b a rc o n c r e t es t r u c t u r en o to n l yc a n ts o l v et h ep r o b l e mo fa n t i - s e e p a g e ，b u ta l s o m a k et h ea q u e d u c tw a l la n dm o t h e r b o a r d 也i c k t h i si n c r e a s e si t sw e i g h tc o n s u m e d l y a l lo ft h e s el e a dt ot h ei n c r e m e n to fp r o j e c ta b o u tt h ea q u e d u c ts t r u c t u r ea n dt h e u n d e r g r o u n dp a r ta n dt h ep r o j e c ti su n e c o n o m i c a l t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi n c r e a s et h e s p a no fa q u e d u c ta n dr e d u c e t h es i z eo fs t r u c t u r e ，w ea d o p tt h ep r o j e c to f t h r e e - d i r e c t i o np r e - s t r e s s e dc o n c r e t es t r u c t u r ea n dp r e s t r e s s e dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e i no r d e rt os u i tf o rt h ee c o n o m i c a ln e e d i nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fh u g e n e s sa n dc o m p l e x i t ya b o u tt h e a q u e d u c t ，ia p p l i e ds t r u c t u r a lm e c h a n i c si nt h et h r e e d i r e c t i o np r e - s t r e s s e dc o n c r e t e d e s i g na n da n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r e s sa n dd e s i g nm e a n l si nar e p r e s e n t a t i v e a q u e d u c t s ot h ea q u e d u c tc a l ls a t i s f yt h en e e do fs t r e s sa n da n t i - s e e p a g e ，o nt h eo t h e r h a n d , t h ep r o j e c ti se c o n o m i c a l k e yw o r d s ：a q u e d u c t ，s o u t h t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e r ，s t r u c t u r a lt y p e ， p r e - s t r e s s e d ，s u p p o r tw a y ，s p a n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：硼章r 啐 签字日期： 冲7 年，月；f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨奎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：嘲毒氐哗 签字日期：沪 年f 月，je l 新繇船 签字日期：年月日 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 南水北调中线工程属特大型跨流域调水工程，它将丹江口水库的库水引出， 通过湖北、河南、河北向京津地区自流式输水，对华中、华北地区乃至全国的经 济和社会的发展具有巨大的推动作用，是一项战略性的基础设施建设。由于南水 北调中线工程总干渠为自流输水，水头紧张，可以分配给各座渡槽的水头损失较 小，因而槽身过水断面很大，不少渡槽水面总宽在2 5 m 以上，水深大于5 m ，水荷 载特别巨大。由于工程的重要性及工程规模的庞大( 南水北调中线工程大型渡槽 多达4 0 多座) ，采用常规钢筋混凝土结构不但不易解决槽身结构防渗抗裂的问题， 还将造成槽身结构的槽壁与底板等很厚，大大增加自重，引起上部结构以及下部 结构工程量的大大增加，而使工程很不经济合理。因此为了达到增加渡槽跨度并 减小槽身结构尺寸的目的，槽身结构采用三向预应力混凝土结构体系，利用预应 力施工技术，充分发挥材料的性能，在满足材料强度及结构使用条件的前提下可 有效的减薄底板及侧墙的厚度，从而使工程经济合理。 1 2 国内外渡槽的建设和发展情况 渡槽是输送渠道水流跨越河渠、道路、山林、谷口等的架空输水建筑物，是 渠系建筑物中应用最广泛的交叉建筑物之一，渡槽除在灌区用于输送渠水进行农 田灌溉外，还用于输送城镇生活用水、工业用水。半个多世纪以来，特别是八十 年代以后，随着农业、工业及生活用水的不断增长的需要，渡槽在过水流量、结 构型式、施工方法等方面不断得到发展，流量由几立方米每秒发展到上百立方米 每秒。 在2 0 世纪5 0 年代初期，由于技术经济等多方面的制约，我国新建渡槽多为 木、石结构。5 0 年代中后期，随着经济建设的发展，钢筋混凝土渡槽日渐增多。 在2 0 世纪6 0 年代初期，广东省在研究国外单向曲率壳槽的基础上，提出了u 形 薄壳槽身的结构型式及其计算方法。2 0 世纪6 0 年代后期至7 0 年代中期，在钢材、 水泥供应较困难的条件下，渡槽工程中出现了各种类型的少筋、无筋混凝土结构。 第一覃绪论 这些型式由于存在一些缺点，现已很少采用。从2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代的 这一阶段，由于大型灌区建设的进一步发展以及一些跨流域、跨省的调水工程的 兴建( 如引滦入津、引大入秦等) ，渡槽的输水流量由过去的几个、十几个立方米 每秒发展到几十个甚至上百个立方米每秒，从而促进了渡槽结构型式的改进与创 新。在这一阶段，出现了不少大跨度、新的结构型式的渡槽。比如广西玉林县的 万龙双曲拱渡槽，下部支撑结构跨度达1 2 6 m ；而新的支撑结构型式还出现了斜拉 式渡槽。在这一阶段的大、中型渡槽工程中较为普遍地使用了预应力混凝土结构， 显著地提高了渡槽的承载力及抗裂性。2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算技术的迅 猛发展，利用计算机及先进设计理论进行了各种流量、各种跨度的渡槽结构型式 的研究，以及结构型式优选的研究，使得渡槽设计更趋先进合理。各种新材料、 新技术也不断应用于渡槽工程。比如广东省东江一深圳供水改造工程，是向香港、 深圳以及工程沿线东莞城镇提供引用水及农田灌溉用水的跨流域大型调水工程， 该工程中的樟洋渡槽设计流量q = 9 0 m 3 s ，采用预应力混凝土u 型槽身( 过水和支 撑结构为一体) ，纵、横两个方向施加预应力，槽壁厚仅3 0 c m ，一节槽身跨度达 到2 4 m ，同时，又将桥梁工程的先进施工技术一移动模板施工法( 造桥机) 用于 渡槽施工，取得了良好的经济效益和社会效益。 目前世界上已建成的最大渡槽为印度戈麦蒂( g o m t i ) 渡槽，是萨尔达一萨哈 亚克调水工程总干渠跨越戈麦蒂河的大型交叉工程，槽身段长3 8 1 6 m ，设计流量 3 5 7 3 s ，过水槽宽1 2 8 m 、槽高7 4 5 m ，槽中水深6 7 m ，下部支承结构为空心槽 墩和沉井基础。 1 3 渡槽槽身的结构型式 1 3 1 槽身纵向支承型式 渡槽按支承结构形式可分为梁式、拱式、斜拉式、悬索式及组合式等。梁式 和拱式是最基本也是应用最广的渡槽型式。由于南水北调渡槽工程的荷载及结构 庞大，因此多采用梁式渡槽。 梁式渡槽的槽身是直接搁置于槽墩或槽架上的。为适应温度变化及地基不均 匀沉陷等原因而引起的变形，必须设置横向伸缩缝将槽身分为独立工作的若干节， 并将槽身与进出口建筑物分开。伸缩缝之间的每一节槽身沿纵向设有支点，所以 既起输水作用又起纵向梁作用。根据支点数目及位置的不同，梁式渡槽有简支梁 式、双悬臂梁式、单悬臂梁式、及连续梁式四中型式。前三种型式一节槽身在纵 向只有两个支点，是静定结构：连续梁式渡槽一节槽身在纵向的支点数目多于两 个，是超静定结构。 2 第一苹绪论 简支梁式槽身施工吊装较方便，接缝止水构造简单，为常用型式，但跨中弯 矩较大，底板受拉对抗渗不利。双悬臂粱式槽身又分为等跨双悬臂和等弯矩双悬 臂两种型式。等弯矩双悬臂梁式槽身，在均匀荷载作用下的跨中正弯矩等于支座 负弯矩，弯矩的绝对值较小，但由于纵向上下层均需配置受力钢筋和一定数量的 构造钢筋，总配筋量可能比等跨双悬臂粱式槽身要多，且墩架间距不等，故较少 采用。双悬臂梁式槽身由于有悬臂的作用，跨度可以增大，跨度较小时则可节省 钢材用量，但一节槽身的总长度大、重量大，施工吊装较困难，此外，但悬臂端 部产生变形或地基产生不均匀沉陷时，两节槽身间的接缝将产生错动而使止水容 易被拉裂。单悬臂梁式槽身一般只在双悬臂梁式想简支梁式或与进出口建筑物连 接时采用，悬臂的长度不能过大，以保证槽身在另一端支座处有一定的压力，而 绝对不允许出现拉力。连续梁式槽身较简支梁式槽身受力条件好，在同样跨度和 荷载条件下，跨中弯矩较简支梁式，因而可以加大跨度。 梁式渡槽槽身多采用钢筋混凝土结构。目前在大中型渡槽工程中，为了改善 结构的力学性能以减小截尺寸、减轻自重，较广泛地采用了预应力钢筋混凝土结 构。 1 3 2 横断面型式 槽身横断面最常用的是矩形及u 形。浆砌块石槽身一般均采用矩形；钢筋混 凝土槽身大流量时采用矩形较多，中、小型流量可采用矩形也可采用u 形。 ( 1 ) 矩形槽身 a 悬臂侧墙式矩形 矩形槽身顶部一般多设拉杆，间距1 5 2 5 m ，以改善侧墙和底板的受力状态。 矩形槽身的侧墙兼做纵梁用，但其薄而高，且需承受侧向水压力的作用，因此， 设计时除考虑强度外，还应考虑侧向稳定要求。 b 加肋矩形槽 当有通航要求槽身不允许设拉杆时，或虽无通航要求但通过槽身的流量较大 时，为了减薄矩形槽身侧墙和底板的厚度，可沿槽身纵向每隔一定距离在两侧和 底板下加设横肋，成为肋板式矩形槽。 侧墙项部和底板常局部加厚，形成顶梁与底梁。肋的间距的确定应考虑在与 顶梁和底梁的共同作用下，使侧墙和底板成为双向受力的四边支承板。槽身两侧 的横肋( 侧肋) 可以采用等厚度，也可采用变厚度，即从顶到底逐渐加厚。 对于不通航的肋板式矩形槽，可在侧肋顶部加设拉杆，使肋与拉杆形成箍框， 以加强槽身的整体性，并通过箍框将槽身荷载传给下部支承结构。 c 多纵梁式矩形槽 第一章绪论 大流量或有通航要求的矩形槽多做成宽浅式，为减小底板厚度，可根据不同 槽身宽度在底板下加设一根或几根中纵梁，做成多纵梁式结构。如槽身较宽，多 纵梁式矩形槽其荷载主要由纵梁承担，侧墙和底板主要起挡水作用。 d 箱式矩形槽 这种型式槽身是一闭合框架结构，顶板可用作交通桥，箱中按无压流设计， 水面以上应留0 2 0 6 m 净空，深宽比常用0 6 0 8 或更大些。箱形槽身截面刚度 大，可提高纵向承载能力，侧墙和底板受拉区主要在槽身外侧，受力条件较悬臂 侧墙式矩形槽为好。但箱形槽身为全封闭结构，内外温差大，温度应力较大。 e 。多厢互联式矩形槽 对于过水流量很大的特大型渡槽，槽身每延米荷载( 不包括自重) 可为铁路 荷载的十几倍，乃至二三十倍。由于荷载特别巨大，考虑到地基承载力和槽身跨 越能力的限制，槽身跨度不宜过大但也不宜太小，合理的设计思路是选用整体刚 度大的槽身结构型式，并在此基础上选用适宜的槽身跨度。 为了充分利用侧墙刚度大的特点，可在槽身中加设纵向隔墙，形成多厢互联 矩形断面形式。多厢互联式矩形槽与多纵粱式矩形槽相比，犹如将设在底部的数 个纵梁叠加在一起形成隔墙，将输水结构与承重结构相结合，其工程量变化不大， 但承载力却大大增加，可提高渡槽的纵向跨越能力，减少下部支承结构工程量。 如果在侧墙和隔墙顶部设置拉杆，则槽身整体刚度更大，工作性能更好。 但多厢互联式矩形槽由于设立隔墙，减小了槽身过水断面的水力半径，过流 能力有所下降，在通过相同流量情况下，要求的过水断面较单槽矩形断面有所增 大，因此在采用多厢结构时厢数不宜过多。 ( 2 ) u 形槽身 u 型槽身横断面为半圆加直段，与矩形槽相比有水力条件好等优点。u 型槽身 多用钢筋混凝土制作，当跨径及过水流量较大时可采用预应力钢筋混凝土结构， 在纵向或纵、横两个方向施加预应力，以利于抗裂防渗。小型u 型槽身也有用钢 丝网水泥砂浆等制作的，但防渗、抗冻及耐久性较差。 1 4 预应力结构的应用与发展 预应力混凝土自1 9 2 8 年法国学者弗莱西奈研究成功后，1 9 4 5 年开始大量推 广，第二次世界大站结束后，城市交通与工业急需重点重建与改善，采用预应力 混凝土代替钢结构解决了当时钢材供应不足的状况。经过数十年的实践与完善， 目前已成为一项专门的实用技术，近4 0 余年来国内外的建筑土木工程大量实践充 分证实了预应力混凝土结构能够节约钢材、木材、水泥，延长使用寿命，并具有 耐火、耐高压、耐腐蚀、抗疲劳等优点，是当代工程建设中一种重要的结构材料， 4 第一章绪论 也是土建工程的一种高新结构技术。 1 4 1 预应力混凝土结构的优越性 预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，在节约工程材料、增加抗裂与耐久性、 提高刚度、减小变形、改善结构疲劳等均有优越性，具体分述如下。 ( 1 ) 节约工程材料 由于预应力混凝土结构构件可采用高强度预应力筋，其强度的发挥不再受混 凝土极限伸长值过小的约束，使钢材耗用量大幅度降低。 ( 2 ) 增强结构的抗裂性和抗渗性 由于对结构构件的受拉区可能开裂的部位施加了预应压力，这就避免了钢筋 混凝土在使用情况下出现裂缝。 ( 3 ) 改善结构的耐久性 由于设计的预应力混凝土构件在使用荷载下不产生裂缝，因此使结构中的应 力免受外界有害因素的侵蚀，从而大大提高了构件的耐久性。 ( 4 ) 提高了结构与构件的刚度，减小了变形 结构构件开裂后，刚度很快下降，但预应力混凝土构件在使用荷载下可使设 计避免裂缝产生，这就使结构的弹性范围增大，变形减小，相对地提高了刚度。 同时，还可使梁等构件产生一定的反拱。所以，在使用荷载下，预应力混凝土梁 的挠度与变形比同样的普通钢筋混凝土要小许多，故特别适用于大跨度结构、大 悬臂等有控制变形要求的结构。 ( 5 ) 减轻结构自重 由于预应力混凝土可以应用高强度混凝土及高强度应力筋等高效材料，因而 能减小构件的截面，减轻结构自重。 ( 6 ) 提高结构的抗疲劳性能 承受重复动荷载的结构与构件，因为荷载是经常往复地作用，结构长期处于 加荷与卸荷的变化之中。当这种反复变化并超过一定次数时，材料就会低于静力 强度而破坏。预应力混凝土由于预应力筋经过张拉有了初始应力，在重复荷载作 用下，应力筋应力的变化一般小于1 0 的初始应力，即疲劳应力变化的幅度较小。 这种小幅度的应力变化，不会造成钢材的疲劳。这就提高了构件抗疲劳的性能。 ( 7 ) 增强结构与构件的抗剪能力 随着大跨、薄壁构件的应用发展，如采用普通钢筋混凝土构件，则在使用荷 载下，靠近支座处的薄壁，往往由于剪力或扭力作用而产生斜向裂缝，因而影响 了这类构件广泛采用。若在薄壁结构中配置一些预应力筋，则可提高构件的斜截 面抗裂性、抗扭性，并可延迟裂缝出现，约束裂缝宽度开展，提高了抗剪能力。 第一苹绪论 对于竖向的结构则提高了抗侧力能力。 ( 8 ) 提高受压构件的稳定性 为防止大柔度受压构件在受到一定压力后会有平面弯曲，过早发生失稳，可 以对混凝土受压构件施加一定预应力，由于预应力筋已被张拉建立应力，这就提 高了混凝土抗裂、抗弯的能力，从而不易发生平面弯曲，提高了构件的稳定性， 增加了大柔度构件抗压能力。 ( 9 ) 一种拼装手段 通过预应力筋还可将预制构件拼装成整体构件，从而为大型预制整体预应力 建筑、桥梁或水池、油罐等建筑物，提供了在工厂预制块体运往现场现浇整体或 拼装整体的结构应用发展，致使预应力结构工业化与工厂化程度大大提高。 ( 1 0 ) 一种加固手段 当钢筋混凝土结构开裂过大时，可施加预应力以减小或恢复裂缝，也可将小 跨度结构改变为大跨度结构或加层，通过预应力以提高承载力。 ( 1 1 ) 增加层高、层数或减少总高度 因预应力可以减小结构厚度，则可使房屋净空增加，或净空不变增加了层数， 或者层数不变以降低房屋总高度。 1 4 2 预应力结构的发展现状 预应力发展到今天，不仅广泛应用于桥梁、建筑、电杆、桩、压力管道、水 塔等，而且也扩大应用到高层、高耸、大跨、重载与抗震结构、土木工程、能源 工程、海洋工程、海洋运输等许多新的领域。 美国芝加哥的一幢5 0 层公寓，采用了7 9 m 、1 7 8 c m 厚的预应力楼板，高跨 比为4 4 3 。前联邦德国建造了预应力悬挂式的高层建筑，还建造了预应力悬索大 跨空间结构，室内净空面积达2 7 0 m xl o o m ；在贝尔格莱德建造的大跨度飞机库中， 其双坡预应力桁架的跨度达1 3 5 8 m 。在桥梁方面，在世界2 0 多个国家内建造了 2 0 0 余座预应力斜拉桥，还有大跨径的预应力简支梁桥以及预应力连续刚构桥等。 加拿大建成了5 5 3 m 高的预应力混凝土电视塔，还在3 4 层高层建筑中应用3 3 m 跨 度的重型预应力梁；并在卡尔加里市建成一座预应力装配式混凝土交叉网格拱体 系的奥林匹克椭圆形体育馆。此外，石油开采平台也采用了预应力混凝土。还有 池、罐等在各国也应用的很多，如德国博特罗普的废水处理工程中建造了世界最 大的蛋形预应力混凝土污泥消化罐，高度4 5 m ，中部直径2 8 m 。顶部厚度4 1 c m ， 底部厚度7 5 c m ，容积约1 5 0 0 0 m 3 ，罐壁水平、竖向均施加预应力。 我国预应力混凝土也有不少新的应用与发展，在房屋建筑中，我国应用预应 力建造了不少多层和高层建筑，并在工业与民用建筑中的大跨度、大柱网及承重 6 第一苹绪论 荷载中得到推广，其结构有现浇后张预应力( 有粘结或无粘结) 和预制先张预应 力两大类。而在桥梁结构中，预应力混凝土桥已占主导地位，而斜拉桥与悬索桥 的建成标志着我国预应力桥的建造技术达到了世界先进水平。 在水利工程中，预应力技术还广泛的用于水电站厂房吊车梁、门机轨道梁、 大型闸墩、隧洞衬砌、桩以及加固基岩等。黄河小浪底引水压力洞( 直径6 5 0 0 m m 、 壁厚5 0 0 m m ) ，于1 9 8 6 年由中国建研院与黄委会设计院采用后张法无粘结预应力 环段进行试验，并用浮动紧缩式锚具，仅在一个缺口内预加应力，并经内部加压 的环向受力试验研究首次获得成功。为靖江隔河岩水利枢纽直径9 5 0 0 ，壁厚7 5 0 m m 的预应力引水压力洞等提供了依据和应用，也为小浪底工程应用各种压力洞提供 了基础。预应力渡槽也有应用和发展，如2 7 3 m 、3 7 4 m 空腹桁架渡槽，与钢筋混 凝土相比可省钢3 5 9 ，减少混凝土用量2 5 3 ，减轻自重2 6 。北京郊区还使用 了新型的预应力斜拉渡槽。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题主要针对南水北调中线渡槽结构的超大型及复杂性的特点，从中选择 一个典型渡槽，采用结构力学的方法，根据有关设计规范的要求对其槽身进 行三向预应力混凝土设计，并且通过不同跨度的比较研究三向预应力混凝土结构 的受力特性及设计思路，使其一方面既要满足结构受力以及防渗抗裂的要求，另 外又要使工程经济合理。本项报告研究的主要内容有： ( 1 ) 采用结构力学的方法，根据有关设计规范的要求，进行3 0 m 跨矩形 槽身三向预应力结构设计； ( 2 ) 采用结构力学的方法，根据有关设计规范的要求，进行3 5 m 跨矩形 槽身三向预应力结构设计。 第二章计算基本理论 第二章计算基本理论 南水北调中线这类超大型的渡槽结构，由于其规模大，体型尺寸大，荷载也 特别巨大，经过多方案比较，采用将支承结构和过水结构结合在一起的多槽板梁 式结构比较经济。当渡槽跨度较大时，由于渡槽的使用功能要求，在正常使用阶 段引水面不开裂，不漏水，从而槽身混凝土应满足抗裂要求，若采用普通的钢筋 混凝土结构，难以满足上述要求，因而需要采用预应力技术。 2 1 内力计算基本理论 渡槽槽身结构计算采用结构力学方法，将槽身分为纵向和横向，分别按平面 力系假定进行内力计算，( 1 ) 纵向承重：边梁简化为承担其自重和半槽水重荷载 的不对称的“i ”型简支梁，中梁简化为承担其自重和整槽水重荷载的对称的“i ” 型简支梁：( 2 ) 纵向底板简化为以底部横梁为支撑的承受板自重和槽内水重的多 跨连续板；( 3 ) 横向按平面刚构计算，底板简化为以底肋为腹板，渡槽底板为翼 缘的“t 梁、顶部为拉杆，竖向为侧墙的计算单元。 参与计算的荷载包括自重，水压力( 计算分别按两边槽过水，中槽过水，三 槽过水三种工况进行) ，温升温降以及风荷载等，未考虑地震荷载。 2 2 预应力混凝土结构计算规定 由于南水北调中线渡槽荷载特别巨大，纵、横、竖向尺寸都很大，在结构设 计上需要在纵、横、竖向三个不同方向施加预应力才能更好地满足结构设计要求。 2 2 1 预应力损失计算 所谓预应力损失指的就是：预应力构件在预加力传递至构件瞬间产生的预应 力与该构件在以后正常使用阶段所能永久保持的预应力的差值。预应力损失与张 拉工艺、构件制作、配筋方式和材料特性有关，由于各影响因素之间相互制约且 有的因素还是时间的函数，因此确切测定预应力损失比较困难，规范则是以各个 主要因素单独造成的预应力损失之和近似作为总损失来进行计算。预应力损失的 8 第二章计算基本理论 计算是分析构件在受荷前应力状态和进行预应力构件设计的重要内容及前提。 预应力混凝土结构中一般采用对高强预应力筋施加拉应力的方式以达到在结 构中产生预应力的目的。为便于对结构进行分析，这里的预应力是指在不包括任 何荷载效应在内的预应力筋中的应力。张拉时张拉端预应力筋中的应力为张拉控 制应力。由于预应力筋中的应力随时间的增加会不断地减少，在本文的研究分析 中并不考虑各个受力阶段的预应力筋的实际预应力损失变化，而简化为只计算预 应力张拉阶段和正常使用极限阶段的预应力损失。后张预应力结构中造成预应力 损失的因素有：孔道与预应力之间的摩擦；锚具变形与钢筋回缩滑移；分批张拉 时后批张拉束对先批张拉束的压缩变形影响；混凝土的收缩与徐变；钢筋在高应 力下的应力松弛等。这些因素造成的损失可以划分为瞬时损失与长期损失。其中 瞬时损失包括：摩擦损失，锚固损失，分批张拉损失；长期损失包括混凝土的收 缩徐变损失与预应力筋的应力松弛损失，它是在张拉完成后产生的，并且随时间 的发展而变化。因此在预应力张拉阶段计算时，只考虑瞬时应力损失，而在正常 使用极限阶段的计算时，假定各项长期损失己全部完成。 从张拉控制应力吒。即预应力筋锚固前张拉的应力允许值中扣除全部预应力 损失值后，预应力筋中的应力称为有效预应力。尽管在实际荷载作用下，预应力 筋中的有效预应力会有所变化，但是在正常使用阶段和承载极限阶段的计算时， 预应力筋的有效应力作为不随荷载变化的数值，它是预应力混凝土渡槽结构在外 荷载作用下，进行分析计算的预应力筋应力起点。 计算中主要考虑的预应力损失主要分为以下几种： ( 1 ) 张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失d n 无论先张法还是后张法施工，张拉端锚、夹具对构件或台座施加挤压力是通 过钢筋回缩带动锚、夹具来实现的。由于预应力筋回弹方向与张拉时拉伸方向相 反，因此，只要一卸去千斤顶后就会因预应力筋在锚、夹具中的滑移( 内缩) 和 锚、夹具受挤压后的压缩变形以及采用垫板时垫板间缝隙的挤紧，使得原来拉紧 的预应力筋发生内缩。钢筋内缩，应力就会有所降低，因此造成的损失为d ，l o 对预应力直线筋，o ，一可以按下列公式计算： q t = 号t ( 2 - 1 ) 式中，口张拉端锚具变形和钢筋内缩值( 哪) ； ，张拉端至锚固端的距离( 咖) ； c s 预应力筋弹性模量。 对于后张法构件的预应力曲线筋( 预应力筋为圆弧曲线，对应的圆心角不大 于3 0 。) ，距张拉端z 处的。舭可根据预应力曲线筋与孔道壁之间的反向摩擦系数 影响长度，范围内的钢筋变形值等于锚具变形和钢筋内缩值的条件确定。 第二苹计算基本理论 ( 2 ) 预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失q 2 后张法构件在张拉预应力筋时由于钢筋与孔道壁之间的摩擦作用，使张拉端 到锚固端的实际预拉应力值逐渐减小，减小的应力值即为q ：。摩擦损失包括两部 分：由预留孔道中心与预应力筋中心的偏差引起上述两种不同材料间的摩擦阻力； 曲线配筋时由预应力筋对孔道壁上的径向压力引起的摩阻力。q ：可按下列公式计 算： q ：= ( 一专 c 2 彩 式中，工从张拉端至计算截面的孔道长度( m ) ，可近似取该端孔道在纵 轴上的投影长度； 秒从张拉端至极端截面曲线孔道部分切线的夹角( r a d ) 。 ( 3 ) 预应力筋应力松弛引起的预应力损失q 钢筋在高应力作用下，变形具有随时间增长而增长的特性。当钢筋长度保持 不变时，则应力增长会随着时间的增长而降低，这种现象称为钢筋的松弛。钢筋 应力松弛使预应力值降低，造成的预应力损失称为乃试验表明，松弛损失与下列 因素有关：初始应力。张拉控制应力高，松弛损失就大；钢筋种类。松弛损 失随下列钢筋种类依次减小：碳素钢丝及钢绞线、冷轧带肋钢筋、冷拉钢筋及热 处理钢筋；时间；温度。温度高则松弛损失大：张拉方式。预应力松弛损 失q 计算公式如下： 对于钢绞线： 当o 7 厶时，c r t 。= o 1 2 5 k 厶一o 5 k ( 2 3 ) 当0 7 f 岫( o 渤s q 皂 弧时，o t i = 0 2 0 k c 。| f 嘛- 0 5 7 5 _ m ( 2 - 4 ) ( 4 ) 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失q s 预应力构件由于在混凝土收缩( 混凝土结硬过程中体积随着时间增加而减少) 和徐变( 在预应力筋回弹压力的持久作用下，混凝土压应变随时间增加而增加) 的综合影响下长度缩短，使预应力筋也随之回缩盲从而引起预应力损失。混凝土 的收缩和徐变引起预应力损失的现象使类似的，为了简化计算，将此两项预应力 损失合并考虑，即为d ，s 。 2 5 + 2 2 0 o w o - t 5 。1 孝( 2 - 5 ) ( 5 ) 分批张拉预应力钢束应力损失o ， o t 7 = o e 盯弦， ( 2 - 6 ) 第二章 计算基本理论 张拉m 号钢束时对i 号钢束处混凝土产生的应力 盯= n 朋a 。+ 朋p p ，螂，。y 耐 ( 2 7 ) 其中p 朋2 一y ，y 耐= h g i y ，p ，= 彳鲫盯抽，仃2 m2 一q l m q 2 册。 计算采用平均应力法，即将所有钢筋减1 根张拉后对混凝土产生的应力乘以 弹模比所得作为先张拉钢筋的预应力损失值。 2 2 2 承载能力极限状态计算规定 ( 1 ) 正截面承载力计算方法的基本假定为： a 截面应变保持平面： b 不考虑混凝土的抗拉强度； c 混凝土轴心受压的应力应变关系曲线为抛物线，其极限压应变取0 0 0 2 ， 相应的最大压应力取混凝土轴心抗压强度设计值声； 对非均匀受压构件，当压应变占c3 0 0 0 2 时，应力与应变关系曲线为抛物线： 当压应变6 c 0 0 0 2 时，应力应变关系呈水平线，其极限压应变6 “取0 0 0 3 3 ，相 应的最大压应力取混凝土轴心抗压强度声； d 钢筋应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但不大于其强度设计值。 受拉钢筋的允许极限拉应变取0 o l 。 ( 2 ) 混凝土非均匀受压区的应力图形可简化为等效的矩形应力图，其高度取 等于按平截面假定所确定的中和轴高度乘以系数0 8 ，矩形应力图的应力取为- ，c 。 ( 3 ) 受拉钢筋和受压混凝土同时达到其强度设计值的相对界限受压区计算高 度5 。应按下列公式计算： 对有屈服点钢筋( 热扎钢筋、冷拉钢筋) ： 彘2 等2 砸0 8 o 0 0 3 3 e , 对无屈服点钢筋( 热处理钢筋、冷轧带肋钢筋、钢丝和钢绞线) ： 彘2 等2 砸0 8 ， 0 0 0 3 3 e , ( 2 8 ) ( 2 9 ) 一截面的有效高度： 屁一界限受压区计算高度： z 一纵向受拉钢筋的强度设计值，对非预应力钢筋，取正：，对预应力钢 筋，取正：厶； 1 1 第二章计算基本理论 d s 钢筋弹性模量； u p 0 一受拉区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力为零时的预应力钢筋 中的应力。 2 2 2 1 正截面受弯承载力计算 ( i ) 矩形截面或翼缘位于受拉区的t 型截面受弯构件，其正截面受弯承载力 应按下列公式计算： m 吉 丘kh o 一主) + 么，h o - a , ) 一( 仃加一厶7 ) 彳p ( h o - a p ( 2 1 0 ) 混凝土受压区高度按下列公式确定： z 幻= 乃彳。一彳，+ 厶彳p + i 盯| p o 一厶l a p ( 2 一1 1 ) 混凝土受压区的高度尚应符合下列要求： x 彘h o ( 2 1 2 ) 式中峙弯矩设计值； 彳p 、彳乞一受拉区、受压区纵向预应力钢筋的截面面积； 4 、彳s 一受拉区、受压区纵向非预应力钢筋的截面面积； 7 d 一预应力混凝土结构的结构系数； 口、口p 一受压区纵向预应力钢筋合力点、预应力钢筋合力点至受压区边缘 的距离； “一纵向受压钢筋合力点至受压区边缘的距离： ( 2 ) 翼缘位于受压区的t 形截面受弯构件，其正截面受弯承载力应按下列情 况计算： a 当符合下列条件时： 彳，+ 厶a psf b fh s + 4 一【仃p o 一厶) a p ( 2 - 1 4 ) 按宽度为叶的矩形截面计算； b 当不符合上式时，计算中应考虑截面中腹板受压的作用，其正截面受弯承 载力按下列公式计算： 肘吉 工q 一主) + 正( 6 ，一6 ) 厅，( 一孚 + 彳，( 一口，) 一( u p o - f ) 彳，( 一口，7 ) 一 ( 2 1 5 ) 混凝土受压区高度按下列公式确定： 1 2 第二章计算基本理论 硝撕+ ( 6 ，一6 ) _ - 驰一4 + 厶a p + ( 一厶w 协 式中几，1 形截面受压区的翼缘高度： 吁叫形截面受压区的翼缘计算宽度： ( 3 ) 受弯构件正截面受弯承载力的计算，应符合z 彘的要求。当由构造 要求或按正常使用极限状态计算要求所配置的纵向受拉钢筋截面面积大于受弯承 载力要求时，则在验算石彘时，可仅取受弯承载力条件所需要的纵向受拉钢 筋截面面积。 2 2 2 2 斜截面受弯承载力计算 ( 1 ) 预应力混凝土受弯构件，其斜截面受剪承载力应按下列公式计算： 当仅配有箍筋时 v 二眈+ + 匕) ( 2 - 1 7 ) 圪= o 0 7 正b h o 吒：1 2 5 l 兰坐 。 s = 0 0 5 n p o 当配有箍筋及弯起筋时 y 眈+ 十_ + + ) d v 出= p a 忐s i n a 3 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) = 厶a p 6s i n a p ( 2 - 2 3 ) 上式中 v 一构件斜截面上的剪力设计值； 7p 一由预应力所提高的构件受剪承载力； 加一预应力弯起钢筋的受剪承载力： 以胪一同一弯起平面的预应力弯起钢筋的截面面积： u p 一斜截面处预应力弯起钢筋的切线与构件纵向轴线的夹角； p 0 一计算截面上混凝土法向应力为零时的预应力钢筋及非预应力钢筋的合 力，当一o 0 3 f c a o 时，取n p o = o 3 f a 。；当配有预应力弯起钢筋，按式 2o 0 5 p 。计算时，加中不考虑预应力弯起钢筋的作用。 ( 2 ) 预应力混凝土受弯构件，若符合下列公式要求时： 第二章计算基本理论 y 眈+ ) ( 2 - 2 4 ) d 则不需要进行斜截面受剪承载力计算，而仅需根据相关规定，按构造要求配 置箍筋。 2 2 3 正常使用极限状态验算规定 2 2 3 1 预应力混凝土构件正截面抗裂验算 ( 1 ) 严格要求不出现裂缝的构件 在荷载效应的短期组合下应符合下列规定： 仃。一仃。0 ( 2 - 2 5 ) ( 2 ) 一般要求不出现裂缝的构件 在荷载效应的短期组合下应符合下列规定： 盯。一盯。口d 巧么 ( 2 - 2 6 ) 在荷载效应的长期组合下应符合下列规定： o e l 一仃。口d 吮 ( 2 - 2 7 ) 式中盯a 一荷载效应的短期组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应力； 一荷载效应的长期组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应力； 盯芦一扣除全部预应力损失后在验算边缘的预压应力： 一混凝土拉应力控制系数； ，一受拉区混凝土塑性影响系数； ，睹一混凝土轴心抗拉强度标准值。 2 2 3 2 预应力混凝土受弯构件斜截面抗裂验算 ( 1 ) 混凝土主拉应力 对严格要求不出现裂缝的构件，应符合下列规定： o 8 5 f , ( 2 - 2 8 ) 对一般要求不出现裂缝的构件，应符合下列规定： 0 9 5 f , , ( 2 - 2 9 ) ( 2 ) 混凝土主压应力 对严格要求和一般要求不出现裂缝的构件，均应符合下列规定： 仃。0 6 0 f 。, ( 2 - 3 0 ) 1 4 第二章 计算基本理论 式中仃驴、一在荷载效应短期组合下混凝土的主拉应力和主压应力。 第三章典型工程概况 第三章典型工程概况 南水北调中线一期工程年调水量9 5 亿m 3 ，陶岔渠首设计引水流量3 5 0m s s ， 加大流量4 2 0m v s ；穿越黄河流量2 6 5m 3 s ，加大流量3 2 0m 3 s ：进入河北省境 内设计流量2 3 5m s s ，加大流量2 6 5m 3 s , 进入天津设计流量5 0m 3 s ，加大流量 6 0m 3 s i 进入北京设计流量5 0m 3 s ，加大流量6 0m v s 。南水北调中线大型渡槽 分布在河南、河北省境内，且主要分布在黄河以北渠段。南水北调中线渡槽工程 很多，每座渡槽的过流流量、槽址处的水文及气象资料、地质情况等均不相同， 为了有针对性的研究问题，选择幸亡牛河南支渡槽作为本次研究的典型工程。 3 1 幸亡牛河南支渡槽概况 幸亡牛河渡槽南支位于邯郸市西部太行山东麓，是滏阳河上游主要支流之一， 发源于武安市鼓山东麓的崇义滴，流经峰峰矿区及磁县的史村、南城，又穿越磁 县北部的林坦、林峰、花官营等乡、镇和邯郸郊区马头镇，于磁县石桥村东北汇 入滏阳河。 幸亡牛河南支流域地势较陡，上游低山区平均地面坡度1 1 1 2 ，中游丘陵区 和山前平原区坡度在1 0 以下。由于地表成土母质多为黄土，土性多孔直立，透 水性强，抗蚀力弱，加之人为耕作的影响，水流作用称为塑造地貌最基本的动力， 使得水侵和堆积地貌发育。 忙牛河南支上游支流繁多，源短流急，每遇暴雨，洪水来势汹涌，历史上常 造成下游灾害。其两条主要支流南支、北支于洛子村附近汇合成干流，称牛亡牛河 南支。由于切割作用明显，斗亡牛河南支绝大部分为谷底河，上、中游河床低于附 近地面4 - - - 6 m ，下游低于地面2 - - 4 m 。幸亡牛河南支流域地处半干旱地区，属暖温带 大陆性季风气候，夏季盛行偏南风，炎热多雨，冬季盛行偏北风，寒冷干燥。流 域多年平均蒸发量为1 9 0 5 9 m m ( 2 0 c m 蒸发皿) ，年日照时数2 5 2 4 h ，年平均气温 为1 3 2 c ，极端最高气温达4 0 5 c ，极端最低气温为- 1 7 8 c ，最大冻土深度为 3 1 c m 。流域多年平均降水量为5 6 0 m m 左右，西部山区为5 8 0 m m 左右，东部平原为 5 3 0 m m 左右。 第三章典型工程概况 3 2 牛亡牛河南支渡槽设计基本资料 南水北调中线工程为一等工程，渠道各类河渠交叉工程按1 级建筑物设计， 附属工程、河道护岸等次要工程按3 级建筑物设计。故相应渡槽工程的进口渐变 段、节制闸室、进口连接段、渡槽、出口连接段、出口检修闸室、出口渐变段以 及退水闸室为1 级建筑物，退水渠、河道护岸工程等为3 级建筑物。 槽身设计为预应力混凝土结构，渡槽迎水面的侧墙和底板按严格不出现裂缝 设计( 即不出现拉应力) ，其余按一般不出现裂缝( 即允许出现在限制拉应力系数 下的拉应力) 设计。渡槽槽身按3 0 m 跨及3 5 m 跨两种跨度进行结构力学分析计算。 3 2 1 水文资料 渡槽主要设计指标值：忙牛河南支渡槽起点桩号2 9 + 2 9 9 ，集流面积为1 5 3k m z ， 河道洪峰流量1 0 0 年一遇为1 7 9 6 m 3 s ，3 0 0 年一遇洪峰流量为2 3 9 0 m 3 s ，渠道设 计流量为2 3 5m 3 s ，加大流量2 6 5m 3 s 。进口水位设计值为9 0 3 8 1 m ，加大水位 9 0 7 4 7m ，出口设计水位为9 0 1 3 3 m ，加大水位9 0 4 9 9 m ，规划水头为0 2 4 8 m 。 南水北调总干渠与昝亡牛河南支在磁县白村东北相交，交叉断面控制流域面积 1 5 3 0k m 2 ，根据批准的可研报告，渡槽及退水闸设计洪水