装配式渡槽桥梁设计与计算分析

段江远， 刘恪海

(东莞市水利勘测设计院有限公司喀什分公司，新疆 喀什 844000)

0 引 言

渡槽是输送渠道水流跨越河流、道路、山谷等架空输水构造物，在水工结构中应用较为广泛[1,2]。与涵洞相比较，渡槽在跨越沟谷和河道时能通过较大的洪水，不影响河道的行洪需求，与倒虹吸相比，渡槽槽身较短，较为简便，且水头损失较小，所以在许多水利及引水工程中都大量使用渡槽。现阶段渡槽结构大多为现浇混凝土结构，且跨度较小，大多数渡槽断面采用U形断面[3]，经长时间使用，后期渡槽病害较多，且不易检修，所以装配化兼具检修通道的渡槽的需求越来越大[4,5]。本文针对此种情况，以某典型水利工程中的渡槽为研究对象，提出一种水陆两用的装配式渡槽结构，并通过结构尺寸拟定、结构受力分析等全面研究该渡槽结构的合理性，相关研究成果能为后续类似工程提供参考。

1 工程概况

本文以新疆某防渗改建工程为依托，考虑到工程后期检修方便，渡槽结构拟采用装配式箱形渡槽结构，渡槽断面宽度为5.0 m，上部结构采用20 m预应力混凝土预制渡槽，下部结构桥墩采用实体墩，桥台采用柱式结构。上部结构主梁跨中高度为1.7 m，主梁端部梁高为1.85 m，跨中顶板厚度为25 cm，底板厚度为25 cm，腹板厚度为35 cm，端部顶板厚度为35 cm，底板厚度为30 cm，腹板厚度为100 cm。渡槽结构拟采用预应力结构，预应力钢束型号为13&15.2，一共采用三束钢束进行设计。渡槽一般构造如图1所示。

图1(a) 渡槽一般构造图(单位：cm)

图1(b) 渡槽一般构造图(单位：cm)

2 有限元模型分析

本文采用有限元通用软件MIDAS Civil进行计算，渡槽结构采用单梁模型，建立全桥有限元模型。全桥共划分为21个节点、20个单元，其中渡槽槽体采用梁单元模型模拟。桥面约束体系按实际支座位置进行布置并耦合相应自由度。模型中结构自重、二期恒载、过水荷载等均按实际质量分布进行模拟，车道荷载参考公路桥梁规范进行施加，结构整体升温采用30 ℃，结构整体降温-25 ℃，过水荷载按实际渡槽流量进行计算，按恒荷载进行施加。桥型结构有限元模型如图2所示。

图2 渡槽有限元模型

3 计算结果与分析

根据有限元模型计算得到该类渡槽桥梁静力计算结果，如图3～图7所示。

图3 渡槽桥梁位移(单位：mm)

图4 渡槽抗弯承载力包络图(单位：kN·m)

图5 渡槽抗剪承载力包络图(单位：kN)

图6 渡槽上缘应力图(单位：MPa)

图7 渡槽下缘应力图(单位：MPa)

由图3可知，使用阶段，桥梁在活载作用下最大挠度标准值为2.368 mm，满足公路桥梁设计规范限制L/500=40 mm。

由图4可知，使用阶段，桥梁在使用阶段抗弯承载力最大值为18 555.32 kN·m，满足要求。

由图5可知，使用阶段，桥梁在使用阶段抗剪承载力最大值为6 049.6 kN，满足要求。

由图6、图7可知，使用阶段，桥梁上缘最大应力为8.42 MPa，下缘最大应力为5.6 MPa,满足公路规范要求。

4 结 论

本文以某防渗渡槽工程为依托，通过有限元计算，分析该类桥梁结构静力性能，得出主要结论如下：

(1)该类渡槽结构设计出发点为预制结构，结构简便，具有过水和过车两种功能，同时施工较为简单，可有效地控制施工质量，加快施工进度，对相关工程具有一定重要实践参考意义。

(2)针对该类渡槽结构特点，总体计算表明，在成桥状态下桥梁刚度、承载能力、强度满足相应规范要求，能有效地满足车辆通行及过水需求。