南沙河倒虹吸结构预应力混凝土技术和设计方法研究

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1、设计施工水利规划与设计2014年第12期南沙河倒虹吸结构预应力混凝土技术和设计方法研究马述江(河北省水利水电第二勘测设计研究院河北石家庄050021)【摘要】本文介绍了南水北调中线工程南沙河倒虹吸结构预应力混凝土技术、仿真模型试验技术成果，总结了采用平面刚架有限元、平面应变有限元、三维有限元等方法综合分析预应力混凝土倒虹吸结构受力性能的设计成果，为大型预应力混凝土倒虹吸结构设计提供了科学依据。【关键词】倒虹吸预应力混凝土仿真模型试验有限元分析设计【DOI编码】10．3969／j．issn．1672．2469．2014．12．

2、006【中图分类号】TV672．5【文献标识码】B【文章编号】1672．2469(2014)12．0013．04引言混凝土技术的优缺点，考虑倒虹吸结构耐久和防腐蚀的重要性，确定倒虹吸结构采用后张有粘结南水北调中线工程总干渠南沙河倒虹吸，位预应力混凝土技术。于沙河市西北高店村西，总长4335m，是河北(1)倒虹吸结构断面设计省段规模最大的交叉建筑物之一。工程由南汊倒倒虹吸的结构断面的设计按如下步骤进行：虹吸、中间明渠和北汊倒虹吸三大部分组成，其①按经验尺寸范围拟定截面尺寸。对于顶中南汊倒虹吸长1250m，中间明渠长2030m，

3、板厚度，可视倒虹吸顶板上部覆盖层厚度和河道北汊倒虹吸长1055m。倒虹吸管身为3孔一联，水位情况，取其跨度的1／5～1／10。对于底板厚初步设计确定的单孔过水断面尺寸6．5×6．5m度，可取项板厚度的1．0～1．3倍；坐落于压缩(高×宽)，施工图设计阶段根据倒虹吸水力模量较小的硬基时取较小值，坐落于压缩模量较学计算，调整为6．6m×6．5m(高×宽)。大的软基或者不均匀地基上时取较大值。对于边根据工程位置水文地质条件，确定倒虹吸竖墙，可取与项板相同的厚度。对于中竖墙厚度，顶部埋深为6．0m。经过初步计算分析，采用普可取边竖墙

4、厚度的0．9～1．0倍。通钢筋混凝土结构时存在结构混凝土壁厚大、②按照混凝土材料弹性平面有限元方法，计难以同时满足多种工况下混凝土抗裂设计要求，算各种正常使用工况下倒虹吸结构的截面应力。不利于混凝土抵抗工程区地表水的结晶类硫酸③将倒虹吸结构在正常使用工况下的顶、盐型弱～强腐蚀。因此，在结构设计计算分析与底板截面最大拉应力控制在3～4MPa范围内，仿真模型试验验证基础上，确定采用高强低松弛竖墙截面最大拉应力控制在4～5MPa范围内，预应力钢绞线和曲线孔道真空辅助灌浆后张有即达到较优的结构断面尺寸。粘结预应力混凝土技术。本文对该

5、工程的科研及(2)倒虹吸结构预应力钢筋的配置设计成果进行了简要总结。①对于拟定的倒虹吸结构断面，采用有限1南沙河倒虹吸预应力混凝土技术元方法，计算结构顶板、底板和竖墙在各种正常使用工况下的应力，分别绘制其受拉区包络图和1．1预应力混凝土技术体系及配筋方式通过综合分析后张有粘结和无粘结预应力作者简介：马述江(1965年一)，男，教授级高级工程师。·13·设计施工水利规划与设计2014年第12期虹吸结构超载测试。①倒虹吸顶板、底板和竖墙中预应力筋间根据仿真模型试验测试结果与原型和模型距不同，预应力筋并不处于同一平面内。由于单三维

6、有限元计算结果的对比分析，证明三者确定筋预应力效果传递范围是一定的，需要通过三维的倒虹吸结构应力分布是一致的；在各种预定工模型才能真实反映这种预应力情况；况下，倒虹吸结构顶板、底板、边侧墙和中隔②对于倒虹吸河床和河堤平直段，采用平墙的受力状态均满足设计要求，配置的预应力面应变模型所得结果能够准确反映每节倒虹吸筋达到了预期效果。通过仿真模型试验，确定中部区段的应力分布状况，但在越靠近两端区了超载情况下倒虹吸结构的承载能力，并据此，段，结构的受力性能越接近于平面应力状态，平提出了需要进一步改进的结构设计建议。面应变模型的计算结果

7、有较大的误差，而三维模型可以真实反映结构受力从平面应变向平面应2南沙河倒虹吸结构设计计算分析力的过渡情况。2．1平面刚架有限元计算分析③对于倒虹吸进口和出口的斜直段，需要对于倒虹吸结构在承载能力极限状态下的通过三维模型体现结构所处位置、承受内外荷载配筋计算，需要确定设计断面的内力(弯矩、剪随高程的变化等。力和轴力)。为此，采用ADINA7．5结构计算(2)不均匀地质条件适应性分析与处理软件，取单位长度(1m)上的倒虹吸管结构为根据工程地质情况及拟采取的地基处理方计算单元，将结构按底板、顶板、边墙和中墙离案，针对多种地质剖面建

8、立了三维有限元模型，散为梁单元，底板下地基土及开挖断面土体离散对不均匀地质条件下倒虹吸受力性能进行了计为平面应力单元，提出了倒虹吸结构内力计算的算分析。结果表明：地基不均匀对倒虹吸结构平面钢架有限元方法。整体在正常使用阶段的受力状态具有较大影响，为了验证倒虹吸结构内力计算结果的可靠采用换填