宽浅式渡槽预应力混凝土多纵梁叠合结构设计.pdf

宽 浅 式 渡 槽 预 应 力 混 凝 土 多 纵 梁 叠 合 结 构 设 计 赵顺波1，李书群2，裴松伟1，孙志江2 (1华北水利水电学院土木与交通学院，河南郑州450011； 2河北省水利水电第二勘测设计研究院。河北石家庄050021) 摘要：结合南水北调中线左岸排水工程宽浅过水断面的预应力混凝土多纵梁渡槽结构设计，拟定了预制纵梁与现 浇槽体形成整体的叠合结构方案。采用三维有限元数值计算方法，以全现浇结构为比较对象，分析了叠合结构在正 常使用荷载工况下的截面应力和变形状况。结果表明：在白重作用下，叠合结构的纵梁反拱变形较小，底板基本处 于无应力状态，利于长期空槽运行；在水荷载作用下，叠合结构与全现浇结构的受力性能基本相当，底板受力性能 优于全现浇结构。研究成果可为同类工程设计提供参考。 关键词：渡槽；叠合结构；预制预应力混凝土梁；现浇钢筋混凝土槽体；设计 Com posi t e Str uct ur eSt udyofPrest ress edConcr et e M ult ilongi tudinal B eam sand Cast i nsi t uRei nf or cedC0ncr et eFl砌ei nW ideshal lowA queduct zhaoShunb01，Li Shuqun2，PeiSongw eil，SunZhij ian92 (1School ofCi vi l E ngi neeri ngandCom m unication，NorthChi naI nsti t ut e ofW at er Consenrancyand H ydl oel ect ri cPower ，Z hengzhou H ene n450011；2H ebeiProvi nci alSecond Invest i ga t i on，D esi gn and ResearchI nsti t ut eofW at er Conser vancyandH ydm el ec喇cPow er ，Shij iazhuangH ebei050021) Abs tr act ：Thele ftbankdIai nage aqueduct i nt heM iddl eRoute Project ofSout ht oN or【hW at erD i vers i onhasaw j de shal l owsect i onandis des唔ned w i t h com posi te st m ct ur eof precastprest ressed concre t e m ul t i l ongi t udi na l beam sandcas t i nsi turei nf orcedconcret efl um eThest r essesanddef om l ationsof aqueducts w i t h com posi te st nl ct ur eandf ullcast i nsi tu st m ct ur ew er e com par ed her ei n by threedi m ens ionalfi niteelem entm et hodT hecal cul a t i onsshowt hatt he l ongi t udi nal beamhassm al l er oppos i t e def om ati onandt hebase pl at e isal m ostf r ee s tr ess f or com posi te st m ctur e aqueduct unders elf w ei ghtl oadi ng，and t hes tr essanddefbr m at ionoft he com posi teaqueduct ar ebasi cal l yt hesam east hos eoft hef hllcast i n s ituaqueductandt hes tr ess i nbas e pl at eisbet t erunderw at erloadingThest udycanbe asref brencef brdesi gni ngsi m i l a r aqueduct K eyW or ds：aqueduct；com posi te st l l l ct ure；precastprest ressed concret e bea m s；cast i nsi t urei nf orcedconcr et eum e； des i gn 中图分类号：TV 332文献标识码：A文章编号：05599342(2010) 12一0034一04 为满足南水北调中线工程河北段主干渠左岸多 河沟散布区和坡水区汇流排水需要排水渡槽的过 水断面宜宽而浅，以多纵梁横向排列构成单槽式渡 槽结构是最佳的设计方案。渡槽纵向宜选取跨越能 力较大的预应力混凝土结构，以尽可能避免在主干 渠内设置中墩，减轻槽墩对主干渠过水能力的不利 影响凹J。同时，采用多纵梁预制、现浇槽底板和侧 墙的叠合结构，可以兼顾由于北雨水季节性强而 国疆W fner R erV f l t3612 排水使用期短暂，结构抗裂、长期空槽状况下因混 凝土收缩徐变产生的结构反拱变形控制等受力要 求【5，“。因此，左岸排水宽浅式渡槽预应力混凝土多 收稿日期：20100721 基金项目：河南省教育厅科技攻关汁划项目(20007560008) 作者简介：赵顺波( 1964一)，男，河北武邑人，教授，同家一级 注册结构T 程师博士，主要从事水T 结构与材料研究T作 三：竺三： 竺：=竺：二：兰：三=：竺!三：=竺：竺竺=三兰三兰：竺：墨蜀叠蓄翟蓄II：圈 纵梁叠合结构在结构组成与受力特征等方面均不同 于传统的窄深断面多纵梁渡槽。目前，对这种排水 渡槽的受力特征，例如各纵梁受力变形协调、底板 的承载传力作用以及侧墙参与纵向结构受力的功能 等尚缺乏必要的研究。因此，本文结合I程设计， 以全现浇结构为比较对象，对宽浅式渡槽预应力混 凝土多纵梁叠合结构的受力性能进行分析研究。 1渡槽结构设计概况 南水北调中线工程赵古庄排水渡槽为2跨预应 力混凝土多纵梁结构，每跨长度均为170m ，过水 断面宽高为250m 18m ，设计水深133m ，校核 水深168m 。水丁-建筑物等级1级，结构安全级别 I级。渡槽混凝土强度等级C50：采用后张有粘结 预应力体系，1860级1524高强低松弛钢绞线， 混凝土达到设计强度100时施加预应力张拉控 制应力为1395M Pa：夹片式锚具，塑料波纹管孔 道。真空辅助灌浆。纵向普通钢筋H RB335级，其 他H PB235级。渡槽侧墙、底板的钢筋保护层厚度 为25m m ，纵梁厚度为35m m 。 渡槽叠合结构的横截面尺寸见图1，沿跨度方 向每隔45m 或36m 在纵梁上设置一道宽度02m 、 高度13m 的横梁采用钢筋混凝土现浇节点连接。 预制纵梁的预应力筋按两排布置，均为71524的 直线+曲线筋，见图2。 士 图1 渡槽叠合结构横截面( 单位：cm ) 多 _ 颦 图2预制纵梁预应力筋布置( 单位：cm ) 渡槽叠合结构施工工序M ：预制纵梁，张拉 预应力筋截面应力验算不考虑预应力损失；预 制纵梁吊装就位及横梁节点连接，考虑第一批预应 力损失，吊装时截面应力验算考虑吊装动力系数 15；现场一次性浇筑槽体底板及侧墙至加强肋以 上300m m 截面的混凝土，预制纵梁考虑全部预应 力损失；现场一次性浇筑剩余的侧墙混凝土。 2渡槽设计对比分析 21对比设计方法 作为比较对象的全现浇结构，结构尺寸和配筋 与叠合结构相同，施工工序：现场支架整体浇筑 渡槽混凝土；待混凝土达到设计强度后张拉预应 力筋并进行孔道灌浆；拆除支架。考虑全部预应 力损失，确定渡槽在自重作用下的应力和变形。 根据现行规范7】，渡槽处于类环境槽身裂缝 控制等级为一般要求不出现裂缝。根据渡槽的实际 运行状况，自重为长期作用，设计或校核水荷载均 为短期作用。因此，在空槽运行状况时，渡槽的抗 裂验算边缘不宜出现拉应力；在白重与设计或校核 水荷载共同作用时，渡槽纵粱、横梁及槽体底板受 拉边缘混凝土拉应力限制系数为07，渡槽侧墙的受 拉边缘混凝土拉应力限制系数为085分别对应拉 应力限值为185、224M Pa。 采用A N SY S三维有限元方法建立渡槽数值计算 模型，混凝土采用块体元Soli d45模拟，预应力筋采 用空间杆元Li nk8模拟。计算预应力钢筋沿程损失， 采用降温法逐点施加预拉力于L i nk8单元。叠合结 构采用“生死单元”技术、考虑不同施工工序参与 受力的混凝土。普通钢筋对结构刚度的贡献采用均 化的钢筋混凝土弹模予以考虑16J 。 经计算，渡槽在预应力张拉施二r 阶段和预制纵 梁吊装阶段的截面应力均满足规范要求。下面只对 渡槽成型后，在白重、自重与设计或与校核水荷载 作用下的应力和变形加以比较。 22渡槽纵梁的受力性能 渡槽各纵梁跨中挠度和截面底边缘正应力变化 曲线见图3。6号中纵梁预制截面的顶、底边缘正应 力沿跨径方向变化曲线见图4。从图3、4可以看出： (1)在自重作用下，全现浇结构纵梁的跨中反 拱变形为106145m m 。截面底边缘预压应力达到 269288M Pa；叠合结构预制纵梁的跨中反拱变形 为027043m m 。截面底边缘预压应力为224 236M Pa。两种结构的纵梁，除了在两端各08m 长 度范围内的截面底边缘均出现017M Pa的拉应力 外，其他跨径中间区段均为全截面受压状态，全现 浇结构的纵梁截面底边缘压应力较大但顶边缘压应 力较小。 (2)在自重与设计水荷载作用下，全现浇结构 的纵梁处于全截面受压状态边纵梁跨中仍处于反 拱变形状态，各中纵梁跨中挠度为031099m m 、 截面底边缘压应力为131O 15M Pa：叠合结构的纵 梁出现076200m m 的挠度边纵梁及与其相 W m erP( m erV oe36N【)12固 一 一 一 几U撼 且 +2 -1 一o 粲， 姜z 3 2 1 日 室。 餐 -2 3 一一_+A 十十h 目。 a挠度 一 一 。 q一一$ 。 t二F二 等 二 幸 二= 爹绥蕊m2 一A 一 b应力 注：自重一叠合一a一全现浇 自重+设计水荷载一叠合一全现浇 自重+校核水荷载一叠合一一全现浇 图3各纵梁跨中挠度和截面底边缘正应力的变化 ；薹薹：i；羞兰兰翌翌翌：! L b自重+设计水荷载作用 注：叠台一底一一项：全现浇一底一项 圈46号中纵梁截面边缘正应力沿跨径方向的变化曲线 邻的2根中纵梁处于全截面受压状态，其他中纵 梁的截面底边缘在跨中部4m 的区段内出现最大值 037M Pa的拉应力。 (3)在自重与校核水荷载作用下，全现浇结构 的纵梁跨中挠度为025163m m ，边纵梁及其相邻 的中纵梁处于全截面受压状态。其他中纵梁在跨中 部5m 的区段内出现004056M Pa的拉应力：叠 合结构的纵梁跨中挠度为104264m m ，边纵梁处 于全截面受压状态，中纵梁底边缘在跨中部66m 的区段内出现007109M Pa的拉应力。 23渡槽底板的受力性能 231跨径向 提取6号中纵梁翼缘上交点处底板纵截面槽底 强飘磷ner PorV t t36N fJ12 板上下缘沿跨径方向的正应力，绘制在自重+设计水 荷载、自重+校核水荷载作用下的变化曲线见图5。 1 重o 一l R 翻一2 3 鱼 R 倒 注：叠合 a自重+设计水荷载作用 一顶；全现浇一底一；一顶 图56号中纵梁翼缘上交点处底板纵截面上下 缘沿跨径方向的正应力变化曲线 在自重作用下全现浇结构的槽底板沿跨径方 向，在两端各09m 范围内底板截面顶边缘乜现最 大值017M Pa的拉应力，其他顶、底边缘均为受压 状态。叠合结构的槽底板除靠近边梁内侧上方部分 区域受压外，基本上处于无应力状态。 在自重与设计水荷载或与校核水荷载作用下， 全现浇结构的槽底板截面顶边缘，在两端各07m 范围内出现最大值014M Pa的沿跨径方向拉应力， 其他部位顶、底边缘均处于受压状态。叠合结构的 底板沿跨径方向均处于受压状态。 232横向 14和12跨径处的横截面槽底板上下边缘的横 向正应力变化曲线见图6、7。从图6、7可以看出： (1)在自重作用下，全现浇结构的槽底板底面 沿横向基本上处于受压状态，顶面出现了016M Pa 以内的横向拉应力。叠合结构的槽底板沿横向基本 上处于无应力状态。 ( 2) 在自重与设计水荷载或校核水荷载作用下。 叠合结构和全现浇结构槽底板的波浪形横向应力分 布状态均受到横梁协调纵梁变形能力的影响，且槽 底板横向正应力呈现出由跨端截面向跨中截面增大 的规律；同时受侧墙承受侧向水荷载的受力作用， 槽底板顶面在靠近侧墙一段距离( 约05m )范围内 出现横向拉应力，叠合结构的最大拉应力值分别为 007M Pa( 设计水荷载)和017M Pa(校核水荷 载)，全现浇结构的最大拉应力值分别为015M Pa ( 设计水荷载)和025M Pa(校核水荷载)。在校核 水荷载作用下，叠合结构的槽底板底面在相邻纵梁 的翼缘区段内出现很小的横向拉应力。 24渡槽侧墙的受力性能 取14跨径、12跨径处的横截面。绘制槽侧墙 2 0 0之o 4 2 ， 0 0之o 4 2 O 0之o 4 垒 R 域 皇 R 邋 垒 R 毯 三：=三：= 竺：=竺：二：兰竺=竺：三：=竺：竺=兰=竺=三三竺=：兰：墨冒誓譬翟蓄IE盍一 O - 25 量 ；a 00 翅 一O 25 025 童ooo 营_0 25 050 o25 日 垦n00 萄_025 k 2142638410512 黟蛩霄丽 b自重+设计水荷载作用 协21426384105126 弦露丽 6 ” c 自重+校核水荷载作用 注：叠合一底一一顶：全现浇一底一t一顶 图61，4跨截面处底板顶底边缘横向正应力变化 ，o撕 距一端支座距离m P瓷鞘6 一O 25 L a自重作用 O 25r 距一端支座距离m 蠡；脓嗣 O 50。 b自重+设计水荷载作用 n25r i 距一端支座距离“ 。l终21 426384105126 攀煎诵丽 c 自重+校核水荷载作用 注：叠合一底一一顶；全现浇一底一t一顶 图712跨截面处底板顶底边缘的横向正应力变化 内表面竖向正应力及侧墙的横槽向侧移沿槽高度的 变化曲线见图8、9。 从图8、9可见，在设计和校核水位高度范围 内侧墙内侧面处于受拉应力状态，且在侧墙与底 板加强肋交界面达到最大拉应力；由渡槽跨端截面 至跨中截面，全现浇结构呈现出侧墙内表面竖向正 应力及横槽向侧移相应增大的规律，叠合结构的侧 墙内表面竖向正应力变化则较小，但横槽向侧移有 所增大。在渡槽跨中截面，叠合结构和全现浇结构 的侧墙内表面竖向正应力趋于一致，最大拉应力为 057M Pa。 3结论 在相同的结构尺寸和建造材料、配筋以及受力 一0 1nO01O 2O 3O 405 盘b，嚼a bl 2跨径横截面 注：叠合一设计校核；全现浇一设计一一校核 图8侧墙内表面正应力沿槽高度方向的路径曲线 目 壶1 器t 曼n 墅0 坩O 目 艇 2L 删 懈 g 晕 当 心 侧移m b 12跨径横截面 注：叠合一设计。一校核：全现浇一设计一一校核 图9侧墙横向侧移沿槽高度方向的路径曲线 条件下： (1)叠合结构与全现浇结构的纵梁受力变形规 律相同，均按照从边至中的次序增大并具有良好地 整体变形协调能力。槽体侧墙具有协助边梁及与其 相邻的中纵梁受力的作用，但影响范围仅限于边梁 及与其相邻的2根中纵梁。其他中纵梁的挠度相差 甚小。叠合结构在结构自重作用下的( 下转第64页) 彤舭rP0er yof硒0J2团 O 面 臌 一 岫勤储 葭眦嚣 国誓蚕盈嗣：竺：=：=： 表2 I PSO 与kCM 两种算法解算结果对比 用性。 5结语 本文针对PS0算法易于陷入局部最优解和后期 搜索速度慢的问题，通过引入进化算法的“变异” 算子和采用自适应的惯性权重，充分保证了粒子群 的多样性和良好的解空间搜索能力。将优化调度的 时间维作为粒子的空间维，引入粒子矩阵，通过对 粒子在多维空间中最优位置的搜索来实现逐时段的 优化计算，将该算法应用于复杂梯级水电能源系统 中长期优化调度问题的研究。实际算例的应用情况 表明：基于粒子群算法的梯级水电站群优化调度算 法，在求解大规模复杂水电能源优化调度问题上， 能显著提高水库群系统多年平均发电量，尤其是系 统枯水期发电量，较常规数学规划算法有更优越的 优化性能为解决复杂水电能源非线性动力系统的 全局优化计算问题提供了一种有效方法。 参考文献： 1 梅亚东，熊莹，陈立华梯级水库综合利用调度的动态规划方 (上接第37页)反拱变形较小，在水荷载作用时纵 梁跨中挠度大于全现浇结构，但各纵梁之问的挠度 差值与全现浇结构相当。在校核水荷载作用时，纵 梁的最大拉应力出现在位于渡槽横断对称轴上的中 纵梁跨中。满足混凝土拉应力控制要求。 (2)叠合结构底板在自重作用下基本上处于无 应力状态，对于渡槽长期空槽运行状况避免因预应 力产生过大反拱变形是有利的。在水荷载作用下， 叠合结构与全现浇结构的槽底板受力状态基本相同， 但沿跨径方向叠合结构的槽底板受压应力以及沿渡 槽横向槽底板顶面局部区域的拉应力均小于全现浇 结构。总体上叠合结构槽底板的受力状态优于整体 结构。 (3)叠合结构的渡槽侧墙出现较大的内表面拉 应力和横向侧移，在跨中截面与全现浇结构的侧墙 内表面竖向正应力趋于一致最大拉应力满足对混 匝W (ner Pl”VtL36| 2 法研究J水力发电学报，2007，26(2)：l 一4 严蜻，孙帆，岳超派基于拉格朗日松弛法的梯级水电优化调 度系统 J控制理论与应用，2007，26(7) ：1315 方红远王浩程吉林初始轨迹对逐步优化算法收敛性的影 响J水利学报，2002(11)：2730 KennedyJ，EberhartRCP耐i cl esw arrn0pt im izationAIEEE Int em at i onalC onf0nN euralN et w or ksCPenh，A ust m l i a：I EEE， 1995：19421948 张双虎，黄强，吴洪寿，杨菊香水电站水库优化调度的改进 离子群算法 J水力发电学报，2007，26( 1)：15 李崇浩，纪昌明，缪益平基于粒子群算法的梯级水电厂短期 优化调度研究J 水力发电学报，2006，25(2)：9498 shi Y ，EberhartRC Am odi fi edpar t iclesw a瑚optim i zer A I E EEW oddCongresson cor nput at i onalInt el l i gence CIEEE， 1998：19511957 曾建潮，介婧，崔志华粒子群算法 M 北京：科学出版社， 2004 张铭李承军，袁晓辉，钟琦大规模混联水电系统长期发电 优化调度模型及求解 J 武汉大学学报( 工学版)，2007，40 ( 3) ：4549 (责任编辑陈萍) 凝土拉应力控制的要求。 参考文献： 1 宋宝生南水北调中线京石段左岸排水渡槽设计中几个问题的 分析J水科学与工程技术，2005(1)：79 2赵顺波，李晓克，赵平大型钢筋混凝土多纵梁渡槽结构设计 方法的研究J水利学报，1999(4)：3539 3 季日臣，张永亮，王军玺，等大型多纵梁矩形渡槽槽身横向 结构计算J 兰州交通大学学报(自然科学版)，2004( 4)：58 4赵顺波，张利梅，李树瑶大型预应力混凝土渡槽结构受力性 能试验研究 J水力发电学报，2003，29(1) ：4454 5 赵顺波，张新中混凝土叠合结构设计原理及应用 M 北京： 中国水利水电出版社，2001：6072 6赵顺波，陈文义，黄和法，等，南水北调预应力混凝土渡槽叠 合结构设计研究 J人民黄河，1999，2l(2) ：3537 7sL19l 一2008水工混凝土结构设计规范 S (责任编辑周晓蔚) i 心 口 H 瞪 口 隋 吟