鸡公嘴渡槽槽身结构设计_苏利军.pdf

四 川 水 利鸡公嘴渡槽槽身结构设计苏利军，刘 真，杨国浩，熊俊源（中水君信工程勘察设计有限公司，成都，）【摘 要】鸡公嘴渡槽为拆除重建的整治工程，因工程条件限制，槽身只能采用宽浅式的矩形断面型式，槽身呈三维应力状态，应力分布情况较为复杂，计算相对困难。文章采用有限元法对槽身进行了结构分析计算，结果显示：槽身应力及位移满足要求，但各纵梁可能出现位移不同情况，建议在各纵梁间增设横向次梁，改善应力分布情况，其成果可为同类型工程提供参考。【关键词】渡槽 槽身 矩形 有限元法 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）工程概况鸡公嘴渡槽设计总长 ，设计流量，主要建筑物级别为 级。槽身由 跨普通钢筋混凝土结构和 跨钢筋混凝土预应力结构组成，其中普通钢筋混凝土采用简支梁式结构，单跨跨度。渡槽为拆除重建渡槽，上、下游比降已经确定，经水力学计算，渡槽槽身只能采用宽浅式矩形结构，过流净空尺寸 。由于渡槽流量较大，槽身较宽，荷载大，参考类似工程经验，结构拟定采用多纵梁式整体结构。槽身采用 普通钢筋混凝土结构，总宽度 ，底板、边墙厚，底板设 根 （宽高）中纵梁和 根 （宽高）边纵梁。由于边纵梁在一定程度上与侧墙构成整体，内力远小于中纵梁，因而各纵梁垂直变位不一致，可能导致纵梁产生扭转变位，对底板内力亦产生较大影响，为加强纵梁的受力和变形协调，纵梁间隔 设 （宽高）次梁，边墙间隔 设 厚 混凝土侧肋，并与底部横梁形成整体结构，以改善内力分布状况，断面见图。经计算，槽身跨宽比小于，呈三维应力状态，根据灌溉与排水工程设计规范（），需按照空间体系复核计算。图 渡槽槽身结构 计算方法 模模型型建建立立按照规范要求，本渡槽槽身跨宽比小于，采用有限元法对其结构承载能力及位移进行复核计苏利军，刘 真，杨国浩，熊俊源：鸡公嘴渡槽槽身结构设计 算。通过大型通用有限元分析软件 建立实体模型，模型共分为 个节点，个单元，模型见图。有限元模型的三轴的方向规定如下：轴表示横槽方向，右侧为正；轴表示竖直方向，向上为正；轴表示顺槽方向，沿水流方向为正，反之为负。图 槽身实体和有限单元模型 计计算算参参数数本阶段有限元计算中所采用的混凝土物理力学参数见表，各工况下的槽内水深见表。表 槽身结构钢筋混凝土力学参数混凝土强度等级重度（）轴心抗压强度标准值（）轴心抗拉强度标准值（）弹模（）泊松比 表 渡槽特征水位（单位：）渡槽型式设计水深半槽水深满槽水深矩型槽 计计算算工工况况及及荷荷载载根据灌溉与排水工程设计规范、水工建筑物抗震设计标准等规范的相关规定，级及以下渡槽可不考虑动水压力，故在槽身计算中把槽身视为一整体结构，不再考虑地震荷载对槽身结构内力的影响。渡槽槽身结构主要计算工况有以下 种。工况（设计水深）、工况（半槽水深）、工况（满槽水深），各工况下槽身主要承受的荷载包括自重、静水压力、风压力、人群荷载，其中人群荷载标准值取 ，风荷载标准值取 。计算成果分析 位位移移分分析析按照水工混凝土结构设计规范对渡槽允许扰度值的要求：当渡槽槽身的计算跨度 时，其允许挠度按荷载效应长期组合不应大于，短期组合不应大于，应对计算位移值作分析。在各工况下，槽身位移变化满足一般简支梁的变化规律，越向跨两端位移值越小，跨中底板位移值表现为最大，主要表现为竖直方向的位移，最大值出现在工况（满槽水深）的情况下，最大为。综合横槽向、竖向、顺槽向的综合位移可以清楚地显现，槽身在各个方向上的变形都较小，设计结构具有足够的刚度抵抗各工况荷载，限于篇幅，仅列举设计水深工况下渡槽槽身位移场如图 所示。在设计水深下，槽身位移以竖直向变形为主，综合位移在 范围内，主要分布在跨中位置。横槽向（方向）位移大体以对称的形式分布，最大值出现在槽身边墙的中顶部，位移值范围为 。顺槽向（方向）位移大体以反对称的形式分布，最大值出现在槽身两端的端肋上部，位移值范围为 。竖向（方向）位移以跨中值最大，达到 ，其位移值范围为 。参考类似工程，槽身具有足够的刚度，且挠度值满足规范要求。（）横槽向位移 云图 四 川 水 利（）竖向位移 云图（）顺槽向位移 云图（）综合位移 云图图 槽身设计水深位移场计算结果 应应力力分分析析在上述各工况下，槽身主体满足抗拉与抗压要求，槽身在工况（满槽水深）的情况下，出现最大压应力；在纵梁与端肋交接处以及底横梁与纵梁连接处出现了局部的应力集中现象，但就钢筋混凝土来说，混凝土一般只需要承担结构的压应力，其拉应力一般由内部配备的钢筋来承担（钢筋抗拉强度一般在 以上），故上述计算所显示的压应力或局部拉应力，都不会因为结构本身承载力不够而产生破坏。限于篇幅，仅列举设计水深工况下渡槽槽身应力场如图 所示，主要成果分析如下。设计工况下第一主应力：如图（）所示，主要分布范围 ，在纵梁及横梁下部出现局部拉应力区域，均小于 混凝土抗拉强度要求。在端肋支座部位以及底横梁与纵梁连接处最大值达 ，虽然超过了 混凝土的抗拉强度标准值 ，但槽身结构为钢筋混凝土结构，其配设的钢筋能够抵抗其产生的拉应力，结构不会因为承载力不足而产生破坏。第三主应力：如图（）所示，其值分布范围为 。在槽身底部纵梁与端肋连接处出现最大压应力，达到 ，小于结构混凝土 的抗压强度标准值。横槽向正应力：如图（）所示，应力值分布范围为 ，在槽身底部纵梁与横梁连接处出现局部应力集中，最大拉应力达到 ，大于 混凝土抗拉强度标准，但槽身为钢筋混凝土结构，局部应力集中的拉应力一般由结构配设的钢筋承担，结构不会因承载力不足而产生破坏；在纵梁下部端部端肋上，最大压应力为 ，小于结构设计的 混凝土抗压强度标准值。竖向向正应力：如图（）所示，应力分布范围 ，在端肋支座部位出现局部应力集中现象，最大拉应力 。在槽身底部中部、两端端肋中下部是压应力分布的主要区域，最大值为 ，槽身结构强度满足要求。顺槽向正应力：如图（）所示，应力分布范围 ，槽身内侧以受压为主，最大压应力约 ，槽身整体最大拉应力，位于纵梁中部，小于结构 混凝土抗拉强度标准值。苏利军，刘 真，杨国浩，熊俊源：鸡公嘴渡槽槽身结构设计 （）横槽向正应力 云图（）竖向正应力 云图（）顺槽向正应力 云图（）应力 四 川 水 利（）第一主应力 云图（）第三主应力 云图图 槽身设计水深应力场计算结果 结论（）从应力、位移情况上看，渡槽槽身设计较为合理，其承载能力满足规范所规定的混凝土强度要求，局部（渡槽支座段部位、底横梁与纵梁交接部位、纵梁与端肋的交接区域等）拉应力较大区域，因钢筋混凝土结构的联合作用，不会因结构本身承载力不足发生破坏。（）从结构变形控制上看，渡槽在结构自重及水荷载等共同作用下的各种工况挠度值远小于规范允许挠度值，满足结构变形的控制要求。（）由于流量较大，槽身较宽，从计算云图上可以看出，多纵梁渡槽的边纵梁由于与侧墙在一定程度上构成整体，其内力远小于中纵梁，会使各纵梁在垂直方向变位不相同，可能导致纵梁产生扭转变位，对底板内力亦产生较大影响。为了加强纵向承重件的受力和变形协调，在各纵梁间设置横向次梁，配合在侧墙外侧加设竖肋，可使槽身形成空间整体受力结构，有效的改善内力分布状况。参 考 文 献，灌溉与排水渠系建筑物设计规范北京：中华人民共和国水利部，水工混凝土结构设计规范北京：中华人民共和国水利部，水工建筑物抗震设计标准北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检疫检验总局，作者简介：苏利军（），男，四川成都人，高级工程师，硕士，主要从事水利水电工程设计工作。：