高地震區高跨渡槽設計及結構穩定計算分析

楊 濤，駱 震，佟 童

(新疆兵團勘測設計院集團股份有限公司，云南 昆明 650500)

0 前言

渡槽作為一種重要的水工建筑物，在灌溉、輸水、調水等優化水資源配置工程中發揮著重要的作用[1]。目前國內外已進行了較多研究，主要集中在結構選型、優化設計、結構抗震等幾個方面[2]。在云南山區，往往地震烈度高，溝箐窄深，輸水工程跨越溝箐經常會遇到高跨渡槽建筑物。尤其在灌區水利工程中，類似渡槽建筑物往往成了骨干工程中關鍵的卡脖子節點工程。因其建設投資占骨干輸水工程建設投資的比重較大，合理的結構型式不僅是工程安全運行的保障，更是經濟合理的基礎。本文以賓川大型灌區中小廟箐渡槽為例，按照橋梁設計理論進行方案設計及結構穩定有限元分析，從而得到合理安全的渡槽結構設計，以期為高地震區高跨渡槽設計提供參考。

1 工程地質

1.1 地形地質條件

小廟箐渡槽位于大理州賓川縣賓川灌區大銀甸水庫輸水渠上，是輸水渠上最大的一座節點工程。渡槽設計過水流量6.5m3/s，渡槽槽身總跨度105m，最大高度36m。

渡槽橫跨小廟箐溝，沖溝寬110～120m，兩岸地形呈窄深“V”形，山坡陡峭，呈基本對稱狀，不良物理地質象不發育。谷底分布第四系坡洪積層卵礫石、礫質土；厚度小于3m；兩岸坡表分布有第四系殘坡積層含礫粉質粘土、粉土質礫，厚度1～2m。下伏三疊系上統白土田組石英砂巖與泥質粉砂巖互層，強風化層厚9～11m，允許承載力500～800kPa，巖層產狀55°NW∠24°。地質構造為單斜構造，巖層發育有Ⅳ、Ⅴ級結構面。地下水主要為風化裂隙水，溝底地下水位0.3m[3]。

1.2 區域地質構造

工程位于大理洱海東部，賓川盆地及其鄰近一帶，受構造影響與控制，主要山脈、河流及盆地均呈南北向展布，地勢由南向北逐漸降低。按地貌成因，結合該區塑造地貌的構造應力、地表作用力、巖性等特征，工程區可分為構造侵蝕剝蝕地貌、斷陷盆地地貌、低山丘陵地貌及溶蝕地貌4種類型。

工程處于中甸-大理地震帶，地震主要受紅河深大斷裂與程海-賓川斷裂發震構造的影響與控制。根據GB 18306—2015《1/400萬中國地震動參數區劃圖》[4]，工程區地震動峰值加速度為0.20g，地震動加速度反應譜特征周期為0.45s，對應地震基本烈度Ⅷ度。

2 渡槽設計

小廟箐渡槽設計為簡支梁式渡槽，全長149.79m，由進口引渠段、槽身段和出口連接渠段組成。

其中進口引渠段全長26.12m，渠道橫斷面形式為矩形，設計底寬2.3m，渠深1.85m，設計縱坡1/500，轉彎半徑為12m，結構型式采用C20素混凝土，底板及邊墻厚度均為30cm，頂面采用15cm厚預制鋼筋混凝土蓋板。

槽身段總長105m，共計7跨，每跨15m，設計縱坡1/500，渡槽槽身為現澆C30、W6二級配鋼筋砼矩形斷面結構，過水斷面凈寬×高為2.3m×1.8m，外輪廓尺寸寬×高為3.3m×2.6m。為增加結構的整體穩定性，在槽身頂部間隔2.5m設置一拉桿，槽身頂部設置蓋板。梁式渡槽的支承墩、架有重力式槽墩、鋼筋混凝土槽架、混合式墩架和樁柱式槽架等形式[5]，根據地形情況，小廟箐渡槽槽身距底部河床高度13～36m，設計槽身支承墩采用重力墩形式，其中1#和6#槽墩高度小于15m，采用實心重力式槽墩，順槽向、橫槽向坡比為40∶1；2#—5#槽墩高度>15m，采用空心重力式槽墩，順槽向、橫槽向外坡坡比為40∶1，順槽向、橫槽向內坡坡比為80∶1；槽墩基礎均采用直徑1m的灌注樁群，樁頂澆筑蓋梁與槽墩銜接，槽墩、承臺、灌注樁均為現澆C35、W6二級配鋼筋砼。每跨渡槽設伸縮縫1道，縫寬4cm，采用P651型止水橡皮止水，閉孔泡沫板填料填縫，臨水面設5cm雙組份聚硫密封膠閉口?？紤]項目區處于高地震區，減震支座是通過自身剪切變形延長結構周期、增加結構阻尼，從而消耗地震能量，有效減小結構地震反應的裝置，被廣泛運用于橋梁結構中[6]，因此設計參考JGT/T 1302—01—2008《公路橋梁抗震設計細則》[7]支座采用普通盆式橡膠支座。

出口連接渠段全長18.67m，渠道橫斷面形式為矩形，設計底寬2.3m，渠深1.85m，設計縱坡1/500，轉彎半徑12m，結構型式采用C20素混凝土，底板及邊墻厚度均為30cm，頂面采用15cm厚預制鋼筋混凝土蓋板。

渡槽結構縱橫剖面圖如圖1所示。

圖1 渡槽縱橫剖面圖

3 結構穩定計算分析

3.1 模型建立

Midas Civil是一款基于計算機處理和分析技術的空間有限元分析軟件，主要應用于橋梁結構、地下結構分析與設計，設計采用基于MIDAS CIVIL軟件的三維有限元，對渡槽參照橋梁結構受力進行分析。根據許新勇等[8]將有限元軟件ABAQUS與MAT-LAB程序結合，并通過引入混凝土塑性損傷本構模型進行建模計算。將渡槽設計的結構特征參數分槽身、槽墩和樁基結構建立三維有限元模型。槽身簡支梁結構取中間跨進行建模計算，槽身有限元模型共有節點55173個，單元32986個，網格尺寸為240mm。槽墩采用5484個四面體單元，網格尺寸為800mm。

根據地質資料、擬建渡槽結構方案，并結合類似項目工程經驗，確定相應的巖土參數及材料參數，模型各結構設計材料力學參數取值見表1。

表1 力學參數取值

3.2 主要計算結果

3.2.1槽身

經計算分析，槽身整體豎向位移0.9155mm，小于容許最大撓度，說明槽身具有足夠的剛度。最大主拉應力出現在跨中側板底部肋板旁，為1.492MPa，略大于混凝土抗拉強度設計值。需要配置一定的鋼筋減少裂縫寬度，提高局部抗拉強度。最大正應力及最大豎向位移均出現在槽身跨中區域，如圖2—3所示。

圖2 槽身豎向位移云圖

圖3 槽身豎向正應力云圖

槽身橫向最大拉應力出現在底板中心底部，為0.425MPa。如圖4所示。

圖4 槽身正應力云圖[9]

槽身內力及配筋計算結果如下：

工況1：空槽(自重)。在渡槽未充水時，僅有自重作用，渡槽縱向跨中最大彎矩3210.2kN·m，兩端最大剪力906.83kN。橫向側墻端部最大彎矩-16.5kN·m，底板端部彎矩-14.0kN·m，跨中彎矩13.6kN·m；側墻剪力9.0kN，底板剪力43.6kN。

工況2：自重+設計水位。渡槽過設計水深1.70m時，縱向跨中最大彎矩3881.2kN·m，兩端最大剪力1096.4kN。橫向側墻端部最大彎矩-20.4kN·m，底板端部彎矩-20.1kN·m，跨中彎矩18.3kN·m；側墻剪力16.2kN，底板剪力59.0kN。

工況3：設計水位+地震。渡槽過設計水深1.70m時，遇8度地震，縱向跨中最大彎矩3865.5kN·m，兩端最大剪力1091.9kN。橫向側墻端部最大彎矩-39.3kN·m，底板端部彎矩-38.9kN·m，跨中彎矩23.6kN·m；側墻剪力31.0kN，底板剪力82.9kN。

按最不利工況計算槽身縱向受彎鋼筋As=5946.4mm2。槽身橫向底板跨中截面受彎鋼筋As=187.97mm2，支座截面受彎鋼筋As=310.32mm2均小于ρmin，按最小配筋率配筋As=2010mm2；側墻橫向跨中受彎鋼筋As=417.22mm2<ρmin，按最小配筋率配筋As=1515mm2，抗剪鋼筋均按構造配置。

3.2.2槽墩

模型以高度最大的3#槽墩進行分析，選擇偶然組合中的地震工況(最不利)施工加荷載，全局施加重力加速度，對于槽墩整體分析結果：對荷載公共初步分析，槽墩受到附加彎矩和橫向荷載，應力主要為豎向拉壓應力，位移主要為平行與橫向荷載的方向，根據位移云圖可知，最大位移發生在槽墩頂部，且位移延槽墩向下遞減，在地震工況下將槽墩簡化為懸臂梁結構進行內力計算，橫槽向最大位移6.34mm，與槽墩計算長度相比橫向位移值較小，重力式槽墩剛度較高；根據槽墩應力云圖可知，槽墩呈現受力側拉，另一側受壓的狀態，其中受拉區集中在槽墩下部與承臺相接的外表面，最大值為0.284MPa，受壓區最大值為1.713MPa，均未超過混凝土軸線抗拉抗壓設計強度，如圖5—6所示。

圖5 槽墩豎向正應力云圖

圖6 槽墩Y向位移云圖

根據豎向應力云圖知，空心墩外側出現最大拉應力，應力值較小為0.159MPa。實心墩部分的應力集中主要在內部，外部主要受壓應力，如圖7—8所示，可直接根據構造配筋即可。

圖7 實心墩截面豎向應力云圖

圖8 空心墩截面豎向應力云圖

設計采用Midas Civil和CDN根據橋梁設計規范對3#槽墩進行承載能力極限狀態驗算，正常使用階段裂縫寬度驗算，并提取墩身0m(實心截面頂部)、3m(空心變截面頂部)、16m(空心變截面中部)、29m(空心變截面頂部)典型截面計算，其最不利工況下計算結果見表2，槽墩各部位配筋見表3。

表2 槽墩最不利工況內力計算結果

表3 槽墩配筋表

設計對各截面分別進行了使用階段正截面軸心抗壓承載能力驗算、偏心受壓驗算、水平最大彎矩最大及最小時的偏心受壓驗算、豎向最大及最小彎矩時的偏心受壓驗算等，均能滿足規范要求。

3.2.3樁基

樁基包括承臺和混凝土灌注樁，是承受槽身、槽墩荷載的主要結構。3#墩承臺設計為長×寬×高為5m×8m×2m的混凝土結構，底部為2排、6根D1000的混凝土灌注樁。根據計算，在槽墩與承臺接觸面存在一定的應力集中，最大拉應力為0.89MPa，在配筋時需加強分析。樁基最大拉應力-7.93MPa，最大壓應力1.56MPa，均出現在樁頂，在配筋時需加強分析。經計算，承臺與樁均按照結構配筋可滿足要求。

承臺及樁基礎有限元分析豎向應力云圖如圖9—10所示。

圖9 承臺豎向應力云圖

圖10 樁基豎向應力云圖

4 結語

本文以高地震區高跨度的小廟箐渡槽為例，進行了結構設計，并通過三維有限元分析對結構進行相應的設計驗證，主要結論如下：

(1)高地震區高跨度渡槽的設計關鍵為槽墩結構和基礎結構，在三維有限元分析計算時采用橋梁設計中橋墩計算理論可解決模型邊界條件問題，選擇安全可靠的結構設計。

(2)對于高地震區大高度重力墩，實心墩的應力集中區主要在墩內側，而空心墩的應力集中主要發生在墩外側。槽墩其最大位移出現在墩頂部位，但遠小于重力墩最大剛度；豎向軸力沿高度從高往下逐步減小，其墩體的配筋亦可逐步減小。

(3)對空心重力槽墩+樁基礎的組合結構，其中間承臺是上下結合傳力的主要結構，在最不利工況地震作用下表面和底面均會有應力集中現象，設計時需進行加強控制。