（水工结构工程专业论文）拱式渡槽力学性能三维有限元分析及研究.pdf

摘要 摘要 随着南水北调工程的正式开工，我国渡槽的建设进入了一个新的发展时期。渡槽结 构形式选择的合理与否将直接影响工程造价、设计与施工难度及工期。拱式渡槽具有主拱 圈主要承受轴向压力的特点而适应于混凝土材料的承压性能，加之其造型美观而成为南水 北调中线工程干渠左岸排水渡槽的可选结构形式。拱式渡槽的受力特性复杂，因此，需要 研究动静力荷载作用下结构的力学性能。本文正是在这种背景下进行了拱式渡槽的三维有 限元分析研究，主要内容如下： ( 1 ) 根据研究渡槽所处的地理环境和地质条件，综合考虑经济性、适用性及施工的可 能性，进行结构选型，初步确定拱式渡槽主要构件横截面形式和尺寸及结构的纵向布置方 式，并采用传统结构力学的计算方法进行配筋计算和抗裂验算。 ( 2 ) 在全面考虑建立有限元模型时的基本假设、边界条件、钢筋和混凝土的组合方式 及单元类型的选择、单元剖分等问题的基础上，采用大型有限元分析软件a n s y s ，建立了 拱式渡槽三维有限元静力计算模型，分析了在正常使用极限状态下，不同过水工况状态时， 渡槽下部支撑的各拱圈及槽身主要构件的应力控制区域所在的位置及控制截面上的应力 和位移分布规律。 ( 3 ) 采用附加质量法将水体质量分配到槽内表面有限单元网格的结点上来考虑水与槽 体相互作用，用弹簧单元模拟支撑在连拱下部的群桩与周围土体的相互作用，建立了整个 渡槽结构的动力有限元分析模型。 ( 4 ) 分析对比了槽内无水、槽内设计水位及槽内校核水位三种工况状态下，渡槽结构 的自振频率和主振型。根据模态的参与系数，比较了三种工况下，渡槽分别产生横槽向振 动，竖向及顺槽向振动时主要参与的模态形式。 ( 5 ) 根据渡槽所处位置的场地性质，利用反应谱法，计算了在三向地震荷载作用下槽 内无水，槽内设计水位，槽内校核水位三种工况状态的渡槽结构动力响应，并且主要分析 了前两阶主振型和模态合并后渡槽的主拱及槽身主要构件控制截面的位置及控制截面上 的动应力和动位移分布规律。 关键词：拱式渡槽，受力性能，三维有限元，应力，模态分析，反应谱 一些! 坠! ! ， a b s t r a c t w i lt h ef o r m a l l ys t a r t i n go fs o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t t h ec o n s t r u c t i o no f a q u e d u c ti nc h i n ah a se n t e r e dan e w e r a t h es t r u c t u r et y p ed e c i s i o n m a k i n gi n f l u e n c e st h ec o s t d e s i g n ，c o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t ya n dp e r i o do ft h ep r o j e c tg r e a t l y a r c h e da q u e d u c ta d a p t st ot h e c o m p r e s s e dp r o p e r t i e so fc o n c r e t ed u et oi t sm a i na r c hr i n gm a i n l yb e a r i n ga x i a lp r e s s n e b e a u t i f u if o 肌m a k e si tb e c o m ea l la v a i l a b l es t r u c t u r eo fd r a i n a g ea q u e d u c to nt f l e1 e f tb a n ko f c a n a lo ft h em i d r o u t eo ft h es o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t i t sn e c e s s a r yt os t u d yt h e c o m p l i c a t e dm e c h a n i c a lb e h a v i o r so fa r c h e da q u e d u c ti ns t a t i ca n dd y n a m i cl o a d 。b a s e do nt h e p r e s e n tr e s e a r c hs t a t e ，t h e r e - d i m e n s i o n a lf e m o fa r c h e da q u e d u c ti ss t u d l e di n 廿l i sp a p e lt h e m a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w i n g ： m a d ec o n f i g u r a t i o ns e l e c t i o na n da s c e r t a i n e dt h es h a p ea n ds i z eo fc r o s ss e c t i o na n d d r a w i n go fl o n g i t u d i n a lv i e wo fs t r u c t u r ep r e l i m i n a r i l yb a s e do ng e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t a n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fa q u e d u c tw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fe c o n o m i c a l e f f i c i e n c y , a p p l i c a b i l i t ya n de x e c u t i o nf e a s i b i l i t i e sc o m p r e h e n s i v e l y c a l c u l a t e da n dc h e c k e dt h e r e i n f o r c e m e n tc a l c u l a t i o na g a i n s tc r a c k i n gb yt h ec l a s s i c a 】s t r u c t u r em e c h a n i c sm e t h o d b a s e do na n a l y z i n gt h eb a s i ch y p o t h e s i sw h e nb u i l tm o d e l b o u n d a r yc o n d i t i o n s c o m b i n a t i o nt y p e o fc o n c r e t ea n d r e i n f o r c e m e n t , u n i tc h o i c ea n dm e s k i n gb u i l t t h e r e d i m e n s i o n a lf e mm o d e lo fa r c h e d a q u e d u c t b yu s i n g t l l e p o w e r f u la n a l y s i s s o f t w a r e a n s y s a n a l y z e dd i s p l a c e m e ma n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n so fs t r e s sc o n t r o ls e c t i o no f e v e r ya r c hr i n ga n dm a i nc o m p o n e n t so fa q u e d u c tb o d vi 1 1d i f f e r e n tw a t e rl e v e lo ft h e s e r v i c e a b i l i t yl i m i ts t a t e s a d d e dw a t e ri l k a s st ot h en o d e so ff e mu n i to fa q u e d u c ti n n e rb yu s i n gl u m p e dm a s s s i m u l a t e di n t e r a c t i o nb e t w e e ng r o u p e dp i l e sl a y i n gi nt h ec o n n e c t i o na r c ha n ds o i lb yu s i n g s p r i n gu n i t ，t h e nb u i i tt h ew h o l ea q u e d u c ts t r u c t u r ef e md y n a m i cm o d e l a n a l y z e da n dc o m p a r e df r e q u e n c yo fv i b r a t i o na n dd o m i n a n tm o d e so fa q u e d u c t s d u r i n gt h r e es t a t e s t h a ti sn ow a t e r , d e s i g nw a t e rl e v e la n dc h e c k i n gw a t e rl e v e l c o m p a r e d h o r i z o n t a l v e r t i c a la n dl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o ni nt h r e ew a t e rl e v e ls t a t e sb a s e do nm o d e s c o e f f i c i e n t so f m a i np a r t i c i p a t em o d e s b a s e do nc h a r a c t e r i s t i co f a q u e d u c ts i t e c a l c u l a t e ds t r u c t u r a ld y n a m i cr e s p o n s eo f t h r e e l o a dc a s e sw h i c hi sn ow a t e r , d e s i g nw a t e rl e v e la n dc h e c k i n gw a t e rl e v e lb yi n p u t t i n gs p e c t r u m i nt h e r ed i r e c t i o ne a r t h q u a k ea c t i o n s t u d i e dd y n a m i cp o s i t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o n t r o l s e c t i o ni nf i r s tm o d ea n ds e c o n dm o d ea n dc o m b i n e d - m o d e k e vw o r d s ：t h ea r c h e da q u e d u c t ，m e c h a n i t a lb e h a v i o r , t h r e e - d i m e n s i o n a lf m i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，s t r e s s ，m o d ea n a l y s i s ，s p e c m m a i j 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违反 学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果， 特此郑重声明。 学位论文作者( 签字) ：刘袒军 2 0 0 6 年6 月5 日 第1 章绪论 1 1 渡槽研究发展状况 第1 章绪论 1 1 1 渡槽在我国的发展状况 渡槽作为引水工程中重要的建筑物，在我国已有悠久的历史，在古代凿木为槽，引水 跨越沟谷即为最古老的渡槽。 近代随着西方水利技术传入我国，但由于旧中国经济落后，建筑材料供应不足，解放 前所建造的渡槽多为木、石结构。木渡槽因木材缺乏、维修费用大、寿命不长，所以除少 数用作临时性引水外，现在一般已不再采用这种结构形式。石拱渡槽的建设可以就地取材， 需用大量的劳动力进行石料的开采、加工和砌筑等以手工操作为主的作业，施工技术简单， 可节约水泥、钢材，这迎合了当时的社会要求，因此在我国不少灌区的渡槽工程中，相当 一部分均为石拱渡槽。 5 0 年代中后期，随着经济建设的发展，采用钢筋混凝土建造的渡槽目渐增多，槽身 多为厚壁及板梁结构、支承结构多为重力式，施工方法多以现场浇筑为主。 6 0 年代初期以后，随着大规模农田水利建设的要求，渡槽结构形式向着轻型、装配 吊装方面发展。由于旌工方式的改进，节省了大量木材和劳力、降低了工程造价、加快了 施工进度，并便于施工管理和提高工程质量。原来的厚壁矩形槽身改为各种轻型薄壁结构， 并在研究国外单向曲率壳槽基础上，提出了u 型薄壁槽身的结构形式及计算方法。 6 0 年代后期至7 0 年代，这一时期的渡槽，流量由每秒几立方米发展到每秒几十立方 米，结构形式既要适应为数众多的中小跨度，也需要适应百米以上的大跨度，各种大跨拱 式渡槽纷纷出现，预制吊装程度进一步提高，吊重不断增大。结构形式不断发展，施工方 式也有了很大的改进，由原来的装配式渡槽发展为多种施工方式。而预应力技术的发展及 其在桥梁方面应用的不断成熟，更迸步促进了渡槽建设的进步。 8 0 年代至9 0 年代，渡槽研究方向主要是适应各种流量、各种跨度的渡槽结构形式、 新材料、新技术( 如预应力技术) 的应用、利用计算机及先进的设计理论优选结构形式、渡 糟老化修复、补强技术等。 9 0 年代后期，随着南水北调工程的启动，大型及超大型渡槽极复杂的设计和施工的 运用使渡槽的发展进入一个更高的阶段。 我国渡槽技术历经解放后各个时期的发展，到现在无论是在设计理论的研究、结构形 式的多样性、建设的规模等方面均处于国际前列，但是我国目前现有的渡槽同即将实施的 南水北调工程中的渡槽相比，规模都比较小，无法真正将现有技术应用于其中。 华北水利水电学院硕十学位论文 1 1 2 国外渡槽的发展状况 在渡槽建设方面，世界各国以印度和中国为代表作了很多研究。尤其是二十世纪五十 年代以来，战后各国为发展生产修建了相当数量的水工混凝土建筑物，特别是渡槽的建设， 无论从设计方案或施工工艺上都有了很大的发展。在7 0 年代，为适应大流量、大跨度渡 槽的需要，在吸收比较成熟的桥梁建设经验的基础上，预应力技术在渡槽建设中逐步得到 推广和应用。据资料显示，国外己建成的渡槽规模基本同国内现有渡槽相当，目前世界上 最大的渡槽为印度的戈姆蒂( g o m t t ) 渡槽，该渡槽共1 2 跨，槽身系简支结构，单跨长3 1 8 m 过水流量为3 5 7 m 3 厶槽身采用三向预应力施工技术，预应力混凝土纵向大梁梁高9 。9 m ， 以及1 2 0 0 吨承载能力的低碳钢滚轴支座等，在当时均处于世界领先地位。 大流量、大跨度的渡槽由于其横断面尺寸和结构自重均较大，不能直接起吊安装或对 机械设备的起吊能力和安装精度要求过高而难于实现，造成施工方式也是多种多样。如预 制顶推法、现场浇筑法、半现浇半装配法等。现代的渡槽建设尤其注重对先进技术的引进 和吸收消化。桥梁建设中先进的有关采用造桥机架设模板的思想被引用到渡槽建设中，进 一步降低了施工的难度，节省了工程造价。渡槽结构形式的发展也多种多样，如矩形槽、 u 形槽、椭圆形槽以及圆管形等，可根据不同的工程需要和特点来确定该结构的最优结 构形式。 南水北调的多数渡槽无论是需要通过的最大流量、槽身的单跨长和渡槽总长、槽底坡 降、结构断面及每延米荷载，都已经超过戈姆蒂渡槽。因此，南水北调中线渡槽工程建成 后的规模将成为世界之最。目前现有的国内外渡槽资料和技术数据均很难用于南水北调中 的超大型渡槽。研究特大型渡槽的结构形式，分析其受力状况，解决设计中出现的各种各 样的实际问题，是非常必要的。 渡槽发展的总趋势是：适应各种流量、各种跨度，特别是大跨度结构形式的研究；应 用先进理论和先进手段进行结构形式优化设计；施工新技术的研究；斜拉式及悬吊式这类 跨越能力较大的渡槽形式的研究；过水与承重相结合的合理结构形式的研究；早强快干混 凝土和钢纤维混凝土等材料的研究：新型止水材料的研制和应用的研究；旧槽补强及加固 的研究；构件预制工厂化及大型机械吊装等研究工作。上述研究工作有的在逐步开展，有 的仍在探索中，可以预见，渡槽工程在结构形式、设计理论、建筑材料以及施工技术等方 面必将有一个新的突破。 1 2 本文研究意义及背景 世界上最大的水利工程南水北调工程己正式开工，此工程属国家一级工程，可基 本缓解我国华中及华北地区水资源供需紧张的局面，逐步消除影响北方经济发展的“瓶 蓟，对沿线地区经济可持续发展起到巨大推动作用。渡槽这种历史悠久的水工建筑物则 第1 章绪论 成为了南水北调中线工程中输水总干渠上应用较多的一种交叉建筑物型式，中线部分的渡 槽具有流量大，水深给定水头小等特点，其设计关系到整个南水北调中线工程的可靠性和 经济性。 渡槽主要功能在于输水，从这个意义讲，渡槽结构可称为输水桥梁。在南水北调工程 的前期研究中，渡槽结构还缺乏有建树的研究成果。有关南水北调渡槽结构方案论证会上， 大多是听取桥梁专家的意见，而在渡槽结构设计及施工方面缺乏系统的理论研究及实践经 验，并且在论证中没有更好的把渡槽结构与桥梁结构加以区别，建立起渡槽结构自身的设 计理论研究体系。 作为输水桥梁的渡槽结构与桥梁结构相比，它们之间有根本性的区别。渡槽结构承担 着巨大的水荷载，桥梁结构在使用过程中承受的汽车车队及其它因素传来的荷载，与渡槽 结构承担的巨大自重及水荷载相比，其量值大小是不可比拟的，因此桥梁结构承载力设计 与渡槽结构承载力设计也根本不在同一数量级上。渡槽结构属于超大型薄壁梁结构，要在 渡槽结构有效的薄壁空问内，布置构造筋、预应力筋及其它构件，并采用三维预应力技术。 因此很有必要详细分析薄壁空间内布置的预应力筋、构造钢筋、混凝土这三种材料在不同 受力阶段承载力的机制分析。 渡槽结构的输水槽身以拱、桁架、多纵梁等作为承载结构，而把槽身只作为输水或者 部分兼有承载能力的附属设施，并不作为承载结构的主体，这种设计思想显然不能反映渡 槽结构设计特点。由于挡水侧墙有一定的结构高度，因此在渡槽设计中，如何发挥侧墙的 承载作用，使渡槽结构既能输水，又能承重，是渡槽结构设计的基本思想。考虑渡槽结构 在输水工程中的重要性和渡槽结构的工作环境，因此渡槽结构设计裂缝控制等级高，槽身 混凝土结构裂缝设计控制等级应定为一级，即严格要求结构构件受拉区混凝土不出现裂 缝，按荷载效应的短期组合进行计算，结构构件受拉区混凝土不产生拉应力。根据这基 本设计规定的要求，渡槽槽身结构必须采用预应力技术以保证结构构件受拉区混凝土不出 现拉应力，这与一般的混凝土结构限裂设计要求是不同的。从渡槽结构抗裂止水的设计要 求出发，无论从设计方案的确定到施工技术的实施都必须保证渡槽结构的整体完整性，因 此在渡槽设计中仅仅依靠常规的结构力学计算方法已经不能全面了解渡槽结构的空间受 力性能。 渡槽设计与施工问题己成为当前水工建筑物工程的研究难点和热点，其中的实践经验 和研究成果，可集中在结构强度分析、结构刚度分析、计算方法的讨论以及结构动力特性 等几个方面的研究。在结构强度分析时除考虑自重、水重等主要荷载作用之外，还考虑风 载、地震荷载、人群荷载及基础沉陷和温度改变等因素。为了保证结构安全及止水要求， 槽身与水接触部分的混凝土按抗裂要求进行设计，即槽底混凝土不允许出现拉应力，打破 传统的混凝土限裂设计要求，以保证结构运行安全可靠。结构刚度分析时由于渡槽结构主 要特征是侧墙及底板均较薄，对于较薄的渡槽结构其刚度是使过水截面不变的保证a 在刚 度计算中，对各种工况下结构的纵向和侧向位移进行计算。 矩形渡槽、u 形薄壳槽和箱形槽等薄壁梁结构，在输水过程中受到巨大的水荷载作 华北水利水电学院硕士学位论文 用及基础沉陷等因素的影响，特别是在扭转变形因素的影响下，采用常规结构力学方法已 不能准确计算结构在多种荷载因素影响下的力学性能。计算模型对工程问题描述的准确性 如何成为计算成功的关键。然而目前在渡槽结构设计中，经常采用房屋建筑设计中的肋形 梁板结构计算模型，把三维结构受力分析问题简化成双向一维的纵梁、横肋分析。对于梁 式渡槽的槽身，当跨宽比大于4 0 ，跨高比也较大，按梁理论计算即沿渡槽水流方向按简 支或双悬臂梁计算内力及应力，取1 o m 长槽身，按平面问题计算横向内力；当跨宽比小 于4 0 ，一般属于中长壳的梁式矩形稽身，工程设计中仍按粱理进行粗略计算，对于u 形 槽身，则用折板法、有限条法和有限元法并借助计算机进行解算，没有比较具体的计算公 式可以参照。 众所周知，对于复杂的渡槽结构简化成一维的纵梁和横肋的计算模型，很难考虑纵梁 与横肋间的变形协调条件及工程中复杂结构的受力及荷载因素，也就是这种简化过程的受 力分析非常不明确，一个复杂的结构在简化时，各部分间相互作用受力分析的前提不明确， 很难保证简化后计算模型的准确性。因此在渡槽静力分析时，本文利用大型通用有限元分 析软件a n s y s ，建立渡槽的三维空间计算模型，较全面的考虑了在正常使用极限状态下渡槽 主要构件的控制截面上的应力分布规律。 在南水北调中线工程中，某些跨越峡谷的高墩渡槽位于地震设防区，由于峡谷较深， 使得渡槽槽墩变得细长，同时由于渡槽输水量很大，水体自重一般超过结构自重，水体和 槽身在高墩顶端形成一巨大集中质量，槽墩结构变得“头重脚轻”，结构的抗震问题显得 尤为突出。 目前在渡槽结构动力特性计算方面主要分析了结构圆频率及其相应的主振型。结构的 圆频率及其主振型与结构质量分布和结构刚度的大小有关，是结构的固有属性。当结构受 到动荷载作用时，如果动荷载的频率与结构的某一固有频率相接近将会引起结构的显著振 动。从结构设计的角度来看，调整结构质量和结构刚度可以改变结构的自振特性。 随着南水北调工程的开展，国内外的学者做了不少关于大型渡槽的动力分析，提出了 各种计算模型，主要包括( 1 ) 空间梁段有限元模型。槽身结构采用了可以考虑渡槽横向弯 扭耦合振动、约束扭转变形、支架变形、水体惯性力做功及支座等对渡槽动力作用的影响 的空间梁段有限元。( 2 ) 高墩矩形水箱耦联系统。在横向地震作用下将墩一槽身一流体简 化为高墩矩形水箱耦联系统，应用流体线性势流理论导得系统的运动方程。( 3 ) 槽一水主 子系统。槽身视为刚体，主系统由墩支座一槽身构成，子系统则为水体，水体用弹簧一集 中质量振子来模拟。 在利用上述三种方法建立计算模型时，目前常截取整个渡槽的某一跨建立平面模型进 行分析，很少有建立整个渡槽的空间动力计算模型。仅对某一跨进行分析很难考虑渡槽各 跨问互相影响的作用。在考虑水体与槽体之间流固耦合的相互作用时，国内外也有不少学 者提出了较多不同的计算方法，但主要用于科学研究的目的，目前还没有一种比较成熟、 实用的方法被工程界普遍接受和认可。由于本文研究的拱式渡槽动力学特性及动力响应受 下部燕撑连拱相互的作用影响较大，为全面考虑整个渡槽结构在地震荷载作用下的动应力 4 第1 章绪论 和动位移分布规律，在建立动力计算模型时不再是从全部渡槽结构中选取有代表性的某跨 进行力学分析，而是建立了整体结构的三维动力计算模型。从实用的角度出发在水荷载的 处理时将水荷载作为附加质量垂直作用在渡槽内壁和底板上表面的有限单元的节点上。 1 3 本文的主要研究内容 本论文采用三维有限元分析方法，结合南水北调中线工程河北段干渠左岸排水渡槽结 构设计，在全面考虑渡槽结构计算模型的边界条件、单元剖分及单元连接等问题的基础上， 建立拱式渡槽结构的空间动静力计算模型，研究分析了各种荷载工况下渡槽主拱，矩形槽 身，侧墙和纵向大梁及底板等控制截面动静应力和位移的分布规律。主要包括对以下几个 问题探讨和研究： ( 1 ) 根据本渡槽所处的地理环境和地质条件，综合考虑经济性、适用性及施工的可能性， 进行结构选型，初步确定主要构件截面形式和尺寸，并采用传统结构力学的计算方法进行 配筋计算和抗裂验算。 ( 2 ) 采用大型有限元分析软件a n s y s ，建立拱式渡槽三维有限元静力计算模型，分析在 正常使用极限状态下，不同过水工况状态时渡槽下部支撑的各拱圈及槽身主要构件的应力 控制区域所在的位置及控制截面上的应力和位移分布规律。 ( 3 ) 在综合考虑水与槽体相互作用，以及支撑在连拱下部的群桩与周围土体的相互作 用的基础上，建立整个渡槽结构的动力有限元分析模型。 ( 4 ) 分析对比了槽内无水，槽内设计水位，槽内校核水位三种工况状态下，渡槽结构 的自振频率和主振型。根据模态参与系数，比较了三种工况下，渡槽分别产生横槽向振动， 竖向及顺槽向振动时主要参与的模态形式。 ( 5 ) 根据渡槽所处场地的性质，利用反应谱法，计算了在三向地震荷载作用下槽内无 水，槽内设计水位，槽内校核水位三种工况状态的渡槽结构动力响应，并且主要分析了前 两阶主振型和模态合并后渡槽的主拱及槽身主要构件控制截面的位置及控制截面上的动 应力和动位移分布规律。 第2 章渡槽结构形式及主要设计参数的确定 第2 章渡槽结构形式及主要设计参数的确定 渡槽结构横截面形式和纵向支撑形式较多，不同的截面形状和支撑方式决定了结构在 荷载作用下不同受力特性，造成结构内的应力和变形规律也不相同。渡槽不同的使用要求 及所处地理环境的不同也决定了所采用的渡槽结构形式，同时渡槽结构形式的选择还受经 济条件、施工技术等因素的影响。作为南水北调重要输水结构，所选渡槽结构形式合理与 否将直接影响工程造价、设计与施工难度及工期。因此渡槽的结构选型是非常重要的。 2 1 渡槽结构形式概述 渡槽是由槽身、支撑结构、基础及进出口建筑物等部分组成。槽身搁置在支撑结构上， 槽身及槽中水的重力通过支撑结构传给基础再传到地基。根据输水槽身及其支撑结构的类 型，可有以下几种分类方法“： 1 按施工方法分类有现浇整体式、预制装配式及预应力渡槽。 2 按所用材料分类有木渡槽、砖石渡槽、混凝土及钢筋混凝土渡槽等。 3 按横断面型式分类有矩形、u 形、梯形、椭圆形及圆管形等，渡槽工程中常用的 是前两种。 4 按支撑结构型式分类有梁式、拱式、桁架拱式、斜拉桥式和吊索桥式及组合式等。 2 1 1 渡槽横断面形式及其特点 渡槽的横断面形式通常有以下四种。1 ：矩形槽身、u 形槽身、梯形槽身、圆管形槽身。 厂一一 _ 二= = = ：= = = 彳1 幂二_ = _ _ _ _ - 二= = 二了，7 ：二= = = _ 、 。f 二_ _ 二了习1 i 卜r _ j 督一t 一 。气 ，i龟 ： f f f 、j， 1 l 一寸 、j，? j 。三二r 二= = = = 。 、七= = 7 一一 ：、= 二二，7 ( a ) 矩形槽身( b ) u 形槽身( c ) 梯形槽身( d ) 圆管形槽身 图2 - 1 渡槽常见断面形式 f i g2 - 1s h a p e so fs e v e r a lc r o s ss e c t i o no f a q u e d u c t 1 矩形槽身常见截面形式及力学特性 矩形( 含箱形) 渡槽是常用的一种断面形式，根据不同的横断面结构特点，又可分为多 纵梁矩形槽、无拉杆矩形槽、有拉杆矩形槽、加肋矩形槽和箱形槽如图2 2 所示。其受力 和构造的特点为：多纵梁式矩形渡槽( 图2 2 e ) 的水荷载主要由底部纵梁承担，侧墙以承受 侧向水压力为主，同时也承担一部分竖向水荷载。这种渡槽在纵向受力中，因侧墙刚度远 远大于底部纵梁，致使底部纵梁的跨中挠度大于侧墙的挠度，造成底板上的荷载在侧墙和 6 华北水年水电学院硕士学位论文 底纵梁间的分配非常复杂，也使得底板的受力非常复杂。当底部有横肋时，由于两个侧墙 的间距远远小于纵向跨度，横肋与底部纵梁间的荷载分配也是非常复杂的。箱形断面渡槽 具有刚度大，整体性好的优点，在使用阶段顶板和底板均参与工作，顶板和底板受力基本 均匀伽“。 矩形渡槽侧墙除承受底板传来的荷载外，还承受侧向静水压力，处于一种复杂受力状 态中，在无拉杆的渡槽中，侧墙底部弯矩最大，当采用无肋的板时，如图2 2 a 所示，侧墙 底部必须加厚。当采用加肋的侧墙时，侧墙厚度可以减薄一些，受力稍有改善。渡槽顶部 设拉杆时，加强了两个侧墙间的联系，也为侧墙在顶部增加了一个支点，对结构的受力有 利。 矩形渡槽的底板与侧墙的联结有三种方式：底板与侧墙底面齐平( 图2 2 b ) ，底板高于 侧墙底面( 图2 2 a ) ，底板通过底肋传给侧墙( 图2 - 2 d ) 。当底板与侧墙底面齐平时，底板传 来的剪力在侧墙底部产生较大拉应力，对侧墙的抗裂不利。当底板略高于侧墙底面时，侧 墙的应力状况有所改善，节点处的钢筋也比较好布置。当水荷载通过底肋传给侧墙及侧肋 时，因底肋传力比较集中，容易产生局部拉裂的现象”“。 。、 7 = = = = = 2 玎司r 尸i 7 一= 矛 “i ；f l。l 1l i1i f 1 1 一一 一j一l l 广l j l l 二二二= 。= j 司f ll i l _ _ 一l 厂一l - j ( a ) 无拉杆式( b ) 有拉杆式( c ) 无拉杆加肋式( d ) 有拉杆加肋式( e ) 多纵梁式 图2 - 2 常见矩形横断面形式 f i g2 - 2s e v e r a lc r o s ss e c t i o nt y p e so f a q u e d u c t 2 梯形槽身特性 如图2 - 1 c 所示，这种槽身断面型式预制施工较简单，但横向受力条件不利。由于迎风 与背风面都是倾斜的，对风的阻力较小，抗风稳定性有利。 3 圆管形槽身特性 如图2 1 d 所示，由于管身全部为圆弧面，横向受力条件与抗风稳定性都是最有利的。 但施工较复杂。这种槽身可以用钢筋混凝士或预应力混凝土作材料，对小管径的也可以用 钢板作为钢管。水流流态可以是有压的，也可以是无压的。 4 u 形槽身特性” u 形( 2 一l b ) 薄壳渡槽结构具有如下特点：( 1 ) 造型好，水力条件优越。( 2 ) 结构简单、 受力明确。( 3 ) 纵向冈h 度大、受力条件好、结构有足够的强度、刚度、稳定性、结构安全 可靠。由于壳体较薄，自重较轻，可以采用预制吊装的施工方法。对于大型渡槽而言，u 形渡槽采用预制吊装的方法已不可能，只能采用立支架就地现浇或预制顶推的施工方法e 采用立支架就地现浇时需要在空中架立圆弧形底模，并浇筑出等厚度的圆弧薄壳，施工难 度太大，实现的可能性很小。采用预制顶推法施工时，能够保证槽身结构尺寸的精度，但 仍存在一些问题：( 1 ) 渡槽只能采用等截面，纵向预应力筋只能采取直线形式，不能发挥曲 翌! 里 塑壁箜塑丝苎墨圭蔓堡堡叁塑塑些塞 线预应力筋的优势，浪费材料。( 2 ) 顶推施工时难以找到合适的支点。( 3 ) u 形薄壳对横向 受力非常敏感，当项推出现偏差时其内力难以确定。 2 12 渡槽纵向支撑结构及其特点 1 梁式渡槽 梁式渡槽槽身直接搁在槽墩或支架上，槽身既起输水作用，又能承受菏载起纵向梁作 用，称为梁式渡槽。梁式渡槽按支撑点数目及其布置位置不同，又可以分为简支、单悬臂、 双悬臂、连续梁四种，如下图所示。 = ；l 二一_ 二= = = r v - = = = 二_ 1 1 1 下= = 二= = 1 i 一广再= = 二；i 二j e ；二= r ：二二_ - = = ； l l i ： l ll l ，l l ll l l l i l ll ll l 1 1 ( a ) 连续梁式( b ) 简支梁式 ( c ) 单悬臂梁式( d ) 双悬臂梁式 图2 - 3 梁式渡槽纵向图 f i g2 - 3 d r a w i n g o f l o n g i t u d i n a l v i e wo f b e a m a q u e d u c t 梁式渡槽结构简单、施工与吊装方便，是目前最常用的一种渡槽型式。但是梁式渡槽 的槽身起承重作用，自重比较重，跨中弯矩比较大，使得梁式渡槽不能用于太大跨度，一 般简支梁式渡槽适用跨度为8 m 一1 5 m ，一般不超过2 0 m ，当采用预应力技术跨度可以适当 增大，但是一般不超过5 0 m 。另外，梁式渡槽结构对温度变化及不均匀沉陷比较敏感，容 易引起槽身变形，影响过水甚至可能发生漏水现象，因此梁式渡槽较适用于较好的地基条 件。梁式渡槽的槽身多采用钢筋混凝土结构，为节约钢材和水泥用量，改善结构的性能以 减少截面尺寸、减轻自重、加大跨度，在渡槽中常运用预应力钢筋混凝土及预应力钢丝网 水泥结构 2 拱式渡槽 拱式渡槽以拱式结构作为槽身结构支承。拱式渡槽的支承结构是由墩台( 槽墩和槽 台) 、主拱圈及拱上结构三部分组成，渡槽槽身搁噩于拱上结构。拱式渡槽与梁式渡槽的 最大区别为槽身不再是承重结构，主拱圈是拱式渡槽的主要承重结构。按照拱圈径向截面 的型式分为板拱、双曲拱、肋拱。板拱的径向截面型式有实体式和空箱式。实体式多用于 石拱渡槽，槽体都采用浆砌石或浆砌石混凝土，优点是可以就地取材，施工技术简单，缺 点是自重大费工时。双曲拱是由拱肋、拱波和横向连接构件组成的纵横向均呈拱形的结构。 其整体性和横向刚度都低于板拱，易产生纵向裂缝。但承载能力强，所以节省钢材，造价 低，应用广泛。肋拱渡槽与双曲拱渡槽相比较费钢材，可以采用全部预制吊装或现场浇筑。 拱式渡槽的主要特点是主拱圈以受轴向压力为主，拱内弯矩较小，故拱式渡槽跨度较 大，可以达到上百米，并且可以充分发挥砖石及混凝土等材料抗压强度高的优点，最大限 度的节省材料，但是拱脚的约束条件和拱脚变位对拱圈的内力及稳定性影响很大。如支座 产生过大变位，主拱圈可能会迅速破坏。所以拱式渡槽要求建造在岩石地基上，或采用桩 华北水利水电学院硕士学位论文 基础或沉井基础限制拱脚变位，故对于窄深的山谷地形，两岸地质条件较好，有足够的强 度和稳定性时，宜建大跨度拱式渡槽。”“。 3 桁架式渡槽 桁架是将若干直杆的杆端铰结成几何不变体系，外荷载作用于节点上，各杆只产生轴 向力。桁架渡槽按支承结构分为上承式、下承式、中承式三种型式，其中上承式和中承式 应用广泛。下承式桁架渡槽是由拱和梁共同承担荷载，输水槽身置于桁架的下弦位置，因 而受到较大的轴向拉力，由于槽身承受的轴向拉力将随跨度的增大而增大，故跨度不能过 大。上承式桁架渡槽槽身荷载通过竖杆传递给下弦杆，下弦杆在竖杆传来的节点荷载作用 下产生拉力，下弦杆杆端内力传至地基，其应用较广泛，这种结构型式克服了下承式槽身 受拉的弱点。桁架拱式渡槽能充分发挥了材料的性能嘲“。 4 斜拉渡槽 斜拉结构是新型的承重跨越体系，特点是自重轻、跨度大、结构经济合理。斜拉渡槽 是由上部结构的主梁( 即槽身) 、斜拉索、塔架及下部结构的槽墩、槽台四种基本构件组成 的组合体系渡槽。它是在主梁上布置许多拉索作为主梁的支承点，形成弹性支承连续梁或 简支梁。一般必须给拉索施加预应力使梁内弯矩减少，增大跨越能力：同时主梁高度可以 相应减少而节省材料。槽身主要承受轴向力和弯矩，属弯压构件，对槽身的纵向配筋与抗 裂十分有利。 斜拉渡槽的自重、水重等荷载基本上是全槽均匀分布的，如整体布置得当，可使塔架 两侧相对应的拉索水平力尽可能相等，使槽身尽量不受或少受弯矩的作用，这是保证塔身 纵向稳定的关键。“。 2 2 渡槽结构选型 南水北调工程是举世瞩目规模浩大的跨流域调水工程，沿线工程地质、地貌复杂，本 论文所研究的拱式渡槽是南水北调中线工程河北段干渠左岸排水渡槽，该渡槽地处河北省 邢台地区沙河市，工程位置地质条件较好，属于二类场地。渡槽进口底高程1 0 6 5 6 m ，出口 底高程1 0 5 9 3 m 设计水位1 3 2 m 校和水位1 6 1 m 渡槽全长1 4 2 m 。渡槽结构的合理设计将影 响该工程的投资、工期和工程量，并且对建成后的使用管理也将产生很大影响，因此，结 构选型非常重要，结构选型时主要考虑以下三个因素”： ( 1 ) 使用要求：渡槽是输水建筑物，应有足够的过水断面保证水流畅通，并考虑检修 的交通便利。 ( 2 ) 经济要求：渡槽的设计应进行综合比较，根据不同的地形、地质情况，确定渡槽 的结构方案，使造价和材料消耗最小。 ( 3 ) 结构和施工要求：所选定的结构类型应考虑其自身强度、刚度、构造上的要求。 使各部位的尺寸合理，还应考虑施工的可能性和能够进行机械化施工。 9 第2 章 渡槽结构形式发主要设计参数的确定 2 2 1 槽身横断面形式的确定 渡槽槽身的纵横向内力计算，将决定出槽身纵横向钢筋用量，统计表明横向钢筋用量 约占6 0 一7 0 ，而纵向钢筋用量只占3 0 一4 0 由此，合理选择槽身横断面结构形式， 可以减小横向钢筋用量。渡槽槽身过水断面中，适合兼做纵向受力构件的有u 形、矩形 和箱形。对于大流量渡槽多采用矩形，中小流量可以采用矩形或u 形截面。u 形槽虽然 具有轻巧、水力条件好、节省材料、重量轻等优点，但由于其抗冻性和耐久性较差，施工 要求高，如果施工质量不好，容易引起表面剥落，甚至产生裂缝漏水等现象，同时由于壁 薄使得钢筋布置和混凝土的浇注变的困难，而矩形槽身整体刚度大，纵向挠度小，受力明 确，槽身预制施工比较简单。本文所研究的渡槽属于干渠的排水渡槽，流量相对较小，初 步拟定采用以下结构形式的矩形槽身：两侧墙的顶端采用无拉杆形式，结构简单，旗工方 便；侧墙与底板的联结采用侧墙低于底板的结构形式，减小底板的的拉应力，从而减小底 板裂缝的出现，对底板的受力有利；为了减小底板拉应力，改善底板的受力状况，减少底 板厚度，减轻自重，同时也有利于下部支撑结构的受力状态，沿渡槽纵向设置横向肋梁。 2 2 2 渡槽下部支撑结构形式的确定 拱式渡槽结构造型优美，整体性强。拱能将上部荷载转变为轴向压力，并给墩台水平 推力，而拱内弯距较小，故跨度较大，可达百米以上，充分利用了混凝土抗压强度大的特 性。由于该渡槽所处位置的地质条件较好，初步确定采用拱式结构支撑。拱轴线的形式对 拱的内力分布产生重要的影响，因此选择合理的轴线形式有重要的意义。常用的拱轴形式 有圆弧线、悬链线、二次抛物线和折线。经过初步试算，并且综合考虑安全、经济、施工 方便等因素，采用了矩形断面圆弧形混凝土板拱，结构的横向刚度大，水平推力小，并且 施工支模简单方便。初步拟定渡槽的纵向有九个圆弧形板拱构成，主拱为3 8 圆弧拱，其 它小拱均为半圆形板拱。拱的横断面采用等截面、等厚度的实体矩形截面。在各拱的拱顶 位置处设置止水带，渡槽的各段槽身通过止水带在拱顶处连接。为减少由拱脚变位在结构 中产生的附加应力，增加拱的稳定性，拱的底部支撑在由群桩构成基础承台上。 2 3渡槽主要构件结构尺寸的确定 2 3 1 槽身横断面尺寸的拟定 钢筋混凝土矩形槽身横断面的造型，主要取决于槽内水深h 与水面宽度b 之比( 简称 深宽比) 。从过水能力看，应按水力最佳断面的条件来选择深度日和槽面净宽占的比值( 矩 形槽水力最佳断面的深宽比日肛= o 5 ) 。从受力条件看深宽比大一些有利，因为侧墙加高 1 0 华北水利水电学院硕十学位论文 后可增加槽身的纵向刚度( 一般侧墙兼作纵梁) ，从而可以加大槽宽，但受风面大，加大了 j x l 压力，同时b 太小对侧墙的整体稳定性不利。显然水力条件与结构受力条件对深宽比的 要求是矛盾的。因此根据结构受力条件及节省材料的原则来选择深宽比。实际工程中可以 采用矩形槽，h b = 0 4 0 7 ，因此结合该渡槽的水力计算结果初步拟定深宽比为0 4 ， 侧墙高取为校核水位值增加o 3 m o 4 m 的高度，槽宽b 为4 7 m 。槽身的侧墙通常作为纵 梁考虑，由于侧墙薄而高，故在设计中除考虑强度外，还应考虑侧向稳定，一般以侧墙的 厚度f 与侧墙高度h 的比值作为衡量指标。矩形槽的经验数据为f = 1 1 2 1 1 6 常用厚度 1 0 c m 一3 0 c m ；初步确定厚度f 为3 0 c m ，槽身横断面的总高度为h 为2 8 m 。 _ _ 干一 叶十 0 s0 53 7n5 06 图2 - 4 槽身横截面图 f i g2 - 4c r o s ss e c t i o no f a q u e d u c t 2 3 2 下部支撑结构尺寸的初步确定 主拱圈的基本尺寸包括跨度三、矢高f 、拱宽曰和拱脚高程。对于一定型式的拱式渡 槽，这些基本尺寸一经选定，整个渡槽的布置、荷载、主拱圈内力及稳定性等便基本确定。 1 跨度三的选定 跨度通常分为小、中、大三类，当工小于1 5 m 时为小跨度，当l = 2 0 5 0 m 时为中等 跨度，当三大于6 0 m 为大跨度。对槽高不大的渡槽宜选用小跨度，对于跨越深谷，河流等 或槽高很大并且基础施工又困难的拱式渡槽，以宜采用大跨度。一般无特殊要求宜采用中 等跨度较为经济合理。结合该渡槽的实际工程要求及地质条件，主拱采用中等跨度，跨度 值为4 9 6 m ，其余各拱跨为1 3 m 。 2 拱宽b 及宽跨比驯上的选定 拱宽b 常与槽身结构的总宽度相等，宽跨比驯上对主拱圈的稳定性影响很大，驯三越 小则横向稳定性越低。为保证主拱圈横向的稳定，一般要求纠大于1 2 0 ；对于大跨度的 小流量渡槽，驯三一般较小但也不应小于1 2 5 。拱式渡槽主拱圈的稳定问题十分突出，加 大宽跨比满足主拱圈的横向稳定性。由于该渡槽采用板式渡槽，