大型预应力混凝土渡槽结构受力性能试验研究

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1、2003年第1期水力发电学报JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERING总第80期大型预应力混凝土渡槽结构受力性能试验研究赵顺波张利梅李树瑶胡志远(华北水利水电学院土木工程系,郑州450008)摘要:本文介绍南水北调中线工程河南段初步设计中提出的跨度为40m、双箱矩形断面大型预应力混凝土渡槽结构的1∶5仿真模型试验研究情况,对预应力混凝土渡槽结构仿真模型试验中结构自重的模拟与结构承受水荷载作用前初始应力状态的建立、水荷载施加方法等关键技术问题进行了分析讨论。试验结果表明,采用调整混凝土初始预应力的方法模拟预应力混凝土渡槽

2、结构在结构自重作用的受力状态是可行的,采用单面橡胶和钢结构组成的单腔和多腔加载水囊可以准确地模拟渡槽中水荷载的作用,采用全自动数据采集处理系统是保证大型结构模型试验数据采集同步而精确的必要设备条件,为大型预应力混凝土结构模型试验提供重要成功经验。针对渡槽单箱承受水荷载和双箱承受水荷载时主要构件的性能测试结果,提出各构件的设计方法和结构构造措施以及需要进一步改进的结构设计建议。关键词:水工结构工程;应力与裂缝;模型试验;渡槽;预应力混凝土中图分类号:TV672+13文献标识码:A1渡槽原型概况南水北调中线工程渡槽建设任务量大,渡槽的过水流量、水深

3、及水荷载均很大,其规模居于世界前列,小跨径、普通的结构形式已不适应其建设规模及要求。因此,研究采用大跨新颖、技术经济性能先进的结构形式,成为南水北调中线工程渡槽结构设计的主要任务之一。作者依托跨越河南省新郑市境内双洎河的渡槽工程,对钢筋混凝土多纵梁渡槽结构的设计方法和受力性能进行了研究,表明采用预应力混凝土技术在改善渡槽正常使用性能方面具有明显的优越性,是需要进一步深入研究的课题[1,2]。因此,在综合考虑使用、经济、结构和施工等方面要求的基础上,总结借鉴国内外预应力混凝土渡槽建设经验,通过综合比较后设计了新型的双箱式渡槽结构,如图1所示,其基

4、本构件为纵向大梁(中墙和边墙)、底板、底部横梁、边墙竖肋、边墙纵向水平加劲肋和顶部横杆[3,4]。其组成特点是:纵向大梁既做挡水结构又做承载结构,材料充分利用;纵向大梁因高度大而能够充分利用曲线预应力筋的优点;中墙将渡槽横向分成两个过水区域,便于运行中检修,中间采用双墙形式,可有效增加抗侧向水荷载作用的刚度;底板采用肋形梁板结构,与平板式结构相比,能减少工程量,增加刚度,使底板受力合理;底部横梁、竖肋收稿日期:2002202215基金项目:河南省水利厅南水北调中线工程建设研究经费。作者简介:赵顺波,1964年生,男,博士,教授,国家一级注册结构

5、工程师。赵顺波等:大型预应力混凝土渡槽结构受力性能试验研究45图1波槽原型外观及纵横断面立体图Fig.1Spacediagramofprototypeaqueduct和顶部横杆形成横向封闭环,提高了纵向大梁的侧向稳定性和结构侧向受力的整体性。以双洎河渡槽工程为依托进行结构设计,渡槽单跨跨度为4010m,宽度为2516m,高度为916m;单箱过水断面宽度为1015m,设计水深为6170m,校核水深为7142m。沿横向设宽度0140m、高114m(含槽底板厚0140m)的底部横梁15根,与底部横梁相应设宽度0140m的竖肋和宽0140m高0150m

6、的顶部横杆;在两侧墙外侧腰部设高0130m的水平肋,与竖肋和边墙形成竖向梁板结构。混凝土强度等级为C50,槽身普通受力钢筋采用Ⅱ级热轧钢筋,分布钢筋采用Ⅰ级热轧钢筋,预应力筋采用

7、束,边墙竖向各设直线形钢绞线43束,中墙竖向各设直线形钢绞线35束,顶部横杆为钢筋混凝土构件。采用HVM15-7夹片式锚具。渡槽支座为盆式橡胶支座,一端中支座固定、两边支座的横向活动,另一端中支座的纵向活动、两边支座的纵横向均活动。2渡槽模型设计与制作渡槽模型试验的任务是:(1)检验预应力效果和渡槽的使用性能与极限承载能力;(2)研究横梁、底板、纵向大梁等结构构件的受力性能;(3)检验结构力学方法计算成果,验证渡槽结构设计的合理性。211模型比尺与材料选择根据仿真模型相似理论,能够反映原型受力全过程的模型材料与原型材料的应力应变关系应具有全过程

8、相似性[5,6]。比较简单的材料模拟就是采用与原型同样的材料进行模型制作。考虑渡槽原型的断面尺寸、模型成型的可行性、测试结果的精确性并兼顾试验设备能力