多槽U型渡槽結構設計中的幾個問題

1、多槽U型渡槽結構設計中的幾個問題第3卷第5期2005年l0月南水北凋與水利科技South-to-NorthWaterTransfersandWaterScience&.TechnologyVo1.3No.5Oct2005多槽U型渡槽結構設計中的幾個問題和秀芬(河北省水利水電第二勘測設計研究院,石家莊050021)摘要:大流量多槽聯(lián)結的u型渡槽是一種新型的結構形式,介紹利用平面桿件理論和三維有限元模型,對這種結構進行應力分析和配筋方法.關鍵詞:多槽u型渡槽;應力分析;配筋中圖分類號:TV31文獻標識碼:A文章編號:16721683(2005)05004303StructureDe

2、signforU-shapedAqueductofMulti-GroovesHEXiufen(TheSecondDesignandResearthInstituteoJWaterConservancyandHydropoTxeroJHebeiProvince,Shijiazhuang050021,China)Abstract:AlargeflowofUshapedaqueductofmultigroovesisnewtypestructure.Thepaperintroducesthemethodstomakestressanalysisandreinforcememofthisstructu

3、rebytheplanarrodtheoryandthree-dimensionalfiniteelementmodeling.Keywords:Ushapedaqueductofmultigrooves;stressanalysis;reinforcementl問題提出南水北調中線工程總干渠上有渠穿河梁式渡槽23座.過流量多在200/s以上,工程規(guī)模巨大.在眾多的槽身結構型式中,u型槽身是較優(yōu)越的結構型式之一.u型槽身由圓柱形薄殼加直線段構成,具有水力條件優(yōu)越,受力條件好,材料分布均勻,縱向剛度大,橫向內力小,自重小,節(jié)省混凝土和鋼筋,造型美觀等顯著優(yōu)點,因此,在中小型渡槽中應用較多,而且已

4、有了一套較完善的結構計算理論和設計方法,也積累了豐富的設計,施工經(jīng)驗,但至今為止.已建成的u型渡槽均為單槽結構,而且跨度都較小,一般不超過20m.南水北調中線工程中的大型渡槽由于規(guī)模巨大.擔負著給北京,天津,石家莊,鄭州等城市及沿線工農業(yè)供水任務,為保證工程檢修期間不停水,采用雙槽或多槽結構形式已成為設計的必要條件.另外,由于渡槽橫向寬度大.在結構允許情況下,橫向做成兩槽或多槽的整體結構(橫向不分縫)有利于減輕自重和增加整體穩(wěn)定性.所以,橫向分槽從技術經(jīng)濟上說也是合理的.目前這種超大型的新型渡槽的設計.在國內外尚無工程經(jīng)驗可供借鑒,亦無相應的設計規(guī)范可遵循.所以,在設計工作中采用先進的手段尋求

5、合理的計算理論以及建立相應的數(shù)學力學模型成為正確進行結構設計的基礎.本文通過對沼河渡槽的設計,探討了利用結構力學和三維空間有限元理論進行多槽u型結構的應力分析和配筋方法.2結構分析力學模型由于中線工程渠穿河渡槽穿越的河流均承擔重要的行洪任務,為盡可能減少對河道行洪的影響.要求盡量采用大跨度渡槽.另外,由于渡槽本身體形大,結構剛度大,4050m的跨度在結構布置上是合理的,可以自己跨越而不必附加承重結構.在經(jīng)濟上也比較節(jié)省.因此,對于這類大跨度渡槽,應采用預應力結構.2.1縱向結構設計在南水北調大型渡槽設計中,由于采用了預應力技術,使簡支結構的槽身跨高比均達5以上,縱向可直接采用簡支梁理論.按極限

6、狀態(tài)進行設計.2.2橫向結構設計由于渡槽橫向三槽互聯(lián),合理的計算圖式難以確定,所以很難用平面桿件理論給出合理的槽身橫向內力計算結果,需借助于彈性力學的有限單元法來解決槽身橫向結構設計問題.2.3有限元模型的建立對于u型簡支方案,考慮到槽身結構及荷載的對稱性(由于微機內存和運算速度的限制,有限元計算暫不考慮地震荷載和風荷載),縱向,橫向各取一半進行計算.u型渡槽的截面厚度遠小于長,寬,高方向的尺寸,符合采用薄板,薄殼的假定.但板殼單元難以描述渡槽結構中局部加強部位的應力分布.另外,板殼元難以考慮預應力鋼筋的布置,所以采用三維實體元來建立網(wǎng)格,預應力鋼筋采用三維桿單元.由于槽身結構縱向比較均一,除

7、了每隔一定的距離設置有拉桿和底部聯(lián)系桿外.各橫截面的尺寸是不變的,容易在一個平面內先生成形態(tài)合理的網(wǎng)格,然后用網(wǎng)格縱向拷貝,堆積起一個包括收稿日期:20050620作者簡介:和秀芬(1958一),女,河北省水利水電第二勘測設計研究院,主要從事水利工程管理工作.第3卷總第19期?南水北調與水利科技?2005年第5期拉桿和系桿的三維網(wǎng)格單位,對該單位再拷貝.就可以生成全部模型.網(wǎng)格剖分橫剖面圖如圖1.結構分析采用國際上通用的有限元結構分析軟件SuperSAP.下面結合沼河渡槽計算實例進行介紹.圖1網(wǎng)格剖分橫剖面沼河渡槽設計流量335/s.加大流量385m3/s(145億ms調水方案).三槽u型簡支

8、預應力結構型式是沼河渡槽工程初步設計方案之一,其橫斷面形式見圖2,縱向跨度40m.這種三槽互連的U型渡槽槽身結構復雜.橫向尺寸大,加上槽身底部和頂部均設有橫向聯(lián)系桿,使結構呈現(xiàn)較強的三維特性.因此,設計中除了采用一般結構力學方法進行內力計算外,還重點研究了利用三維有限元理論進行應力分析的方法.】o0B0圯JB|n,P1001|0B|0圖2三槽U型簡支預應力結構橫斷面型式3荷載及其組合(1)自重.在計算結構自重時,取鋼筋混凝土容重y一25kN/illa,作用力按體積力輸入.(2)靜水壓力.按設計水深和滿槽水深分別計算,按面力輸入.(3)風荷載.作用在槽身側面的風壓力W=KXK2×Wo.

9、(4)地震荷載.用靜力方法計算,地震水平慣性力PHKH×Cz×n×W.(5)預應力.槽身采用預應力結構,預應力作為外荷載并按其衰減變化值加到各個節(jié)點上.(6)人群荷載.取人群荷載集度為2.5kN/m2.主要工況組合見表1.?44=四盤表1工況組合4渡槽槽身結構設計4.1縱向結構設計(1)正截面承載力計算根據(jù)水工混凝土結構設計規(guī)范>>SL/T19196計算.槽身跨中彎矩計算式為:1M一_石I1×妒××y0×L(qw×+×+×)式中:自重荷載;水荷載;活荷載(人群荷載);

10、結構系數(shù),1.25;y0結構重要性系數(shù).1.1;自重荷載分項系數(shù),1.05;,水重及活荷載分項系數(shù),1.2;一設計狀況系數(shù),持久狀況(設計水深)一1.0,短暫狀況(滿槽水深)f,=0.95,偶然狀況(地震荷載)O-=0.85.跨中縱向受拉鋼筋(預應力鋼鉸線)面積,按一般受彎構件,考慮上部翼緣的作用,按丁型截面計算,計算條件:M絲7式中:艦槽身橫截面受彎承載能力.(2)斜截面承載能力計算槽端最大剪力計算式為:1Q一寺×××y0×L×(鈾×+×+蜘×)式中符號意義同前.抗剪計算按一般受彎構件進行,計算條件:1÷

11、;QQ一(Q+Q)id式中:Q混凝土的抗剪承載能力;(鋼筋的抗剪承載能力.(3)縱向預應力鋼筋布置.由于槽壁跨高比(L/h一5.4)小,不宜采用曲線預應力筋,在槽底加厚部分范圍內布置預應力直筋(43束7×7鋼鉸線),采用OV錨體系.4.2橫向結構設計(1)計算公式渡槽橫向結構計算采用彈性力學有限單元法,根據(jù)有限元計算的應力成果計算橫向受力鋼筋面積.應力成果表見表和秀芬?多槽U型渡槽結構設計中的幾個問題3.按應力配筋的計算公式為:T(0.6+廠×A)(SL/T19196附錄H)d式中:卜由荷載設計值確定的彈性總拉力,T=A×b;A彈性應力圖形中主拉應力圖形總面積;截

12、面寬度;混凝土承擔的拉力,Af×6;Af彈性應力圖形中主拉應力值小于混凝土軸心抗拉強度設計值的圖形面積;A鋼筋面積;.廠,鋼筋抗拉強度設計值.(2)說明長期效應組合情況下,取值應滿足TO.3T;o當受有限元法.將縱向預應力鋼筋作用于混凝土上的有效預應力N一A(一)作為外荷載.以節(jié)點力的形式施加于鋼筋單元節(jié)點上.對結構進行反分析,求得節(jié)點處的應力,要求Eo,式中:一控制點處最大拉應力;混凝土拉應力允許值;A第i根預應力鋼筋的橫截面面積;N第i根預應力鋼筋的總拉力;第i根預應力鋼筋的張拉控制應力;第i根預應力鋼筋的各項預應力損失之和.預應力通過錨頭傳給混凝土.鋼筋與混凝土之間的粘結力通過

13、張拉鋼筋后對孔道灌漿來實現(xiàn).表2漕河U型渡槽縱向應力計算成果N/mm2計算考慮的預應力損失因素有四項,分別是張拉端錨具變形及鋼筋內縮損失;預應力鋼筋與孔道壁摩阻損失;預應力鋼筋松弛損失(T1;混凝土收縮與徐變損失ms.沼河渡槽在自重,預應力及外荷載作用下截面應力結果見表2,表3,表4.表3漕河u型渡槽典型斷面應力成果(有限元法)N/mm2注:跨中最大豎向變形0.94cm,表中各截面及各點位置見圖2.表4沼河u型渡槽典型斷面應力成果(有限元法JNram2點1Q196一Q4145.8747.296點2一n673-1.3395.5586.714點3-1.201-1.9135.9167.030注:跨中最大豎向變形1.07cm,表中各截面及各點