预应力混凝土渡槽温度影响及设计研究

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发布时间：2021-09-04

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预应力混凝土渡槽温度影响及设计研究
李晓克。张晓燕。张学朋。赵顺波
(华北水利水电学院，郑州450011)
摘要：结合南水北调中线工程左岸排水预应力混凝土渡槽结构设计，针对渡槽太阳暴晒温差变化剧烈、长年处于无
水状态、洪水期过流历时短且流量变化大等特点，提出了左岸排水预应力混凝土渡槽结构的设计思路。同时根据
三维有限元数值模拟计算结果，对比分析各荷载工况下渡槽的受力分布规律，进一步明确了温度效应已成为排水
渡槽结构设计中不可忽略的重要因素之一，验证了渡槽设计思路的合理性、有效性。研究成果对同类结构的设计
与施工具有重要的工程参考价值。
关键词：左岸排水；渡槽设计；预应力混凝土；温度
中图分类号：TV674．222 文献标志码：A
南水北调中线工程沿线跨越众多河流与沟渠，
为解决主干渠左岸排水问题，设计了大量的排水渡
槽、涵洞等水工建筑物，预应力排水渡槽是其中主要
的输水结构形式之一l】J。鉴于北方地区四季降水
差异显著、河流枯水期较长，左岸排水渡槽将长年处
于无水状态，洪水期过流历时短且流量变化大，有别
于长期稳态输水的普通渡槽；夏季遭受高温和太阳
暴晒，排水渡槽向阳面和背阳面温差巨大，引起的温
度应力将严重影响干涸状态下排水渡槽的正常使用
性能，局部甚至会产生过大的温度裂缝，这是左岸排
水渡槽特有运营环境决定的。左岸排水渡槽在设计
时既要考虑其作为预应力渡槽的一般性，又要充分
考虑排水渡槽的特殊性。现结合南水北调中线左岸
排水工程矩形预应力混凝土渡槽的设计，对其设计
思路进行探讨和分析，开展三维有限元数值模拟，明
确预应力排水渡槽结构的设计特点，为今后左岸排
水预应力渡槽的合理设计与施工提供坚实的理论依
据。
1 基本参数
南水北调中线左岸排水渡槽，设计过水能力小
至十几个流量、大到接近200个流量；渡槽槽身以多
侧墙或多纵梁预应力混凝土结构为主，断面形式为
矩形，槽数从1槽到5槽不等，槽身总长度从24 in
到125 m不等；排水能力为5O年一遇洪水设计和
200年一遇洪水校核。某左岸排水矩形预应力混凝
土渡槽主跨20 in，一端铰接、一段滚轴支撑约束，结
构建筑物级别I级，结构安全等级I级，50年一遇
设计洪水位3．95m，200年一遇校核洪水位4．25 m，
槽身裂缝控制等级为一般要求不出现裂缝的构件，
混凝土强度等级C50，预应力钢筋采用1860级高强
低松弛钢绞线，张拉控制应力or⋯ =0．7 ( 为
钢绞线强度标准值)，渡槽具体结构尺寸如图1所
示，横梁高0．6 in、宽0．3 m、相邻横梁间距2．3 m。
图1 渡槽横截面尺寸图
Fig．1 Cross section of the drainage aqueduct
2 设计思路
左岸排水预应力混凝土渡槽承受的荷载主要有
渡槽自重、水重水压力和温度效应等。结构长期处
于无水即空槽状态，无论是50年一遇的设计洪水，
收稿日期：2010—11—18
基金项目：河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目(2006090)
作者简介：李晓克(1975一)，男，河南许昌人，副教授，博士，主要从事预应力砼结构理论研究，(电话)13783638581(电子信箱)lixk@ncwu
edu．c／1。
第1期李晓克等预应力混凝土渡槽温度影响及设计研究 45
还是200年一遇的校核洪水，过水是短期的、临时
的。荷载效应长期组合为自重和预应力的组合，与
一般输水渡槽相异(表1)。荷载效应长期组合的差
异导致渡槽结构应力分布和预应力钢筋配置差异。
表1 预应力排水渡槽和输水渡槽荷载组合对比表
Table 1 Comparison of load combinations of prestressed
drainage aqueduct and water delivery aqueduct
环境温度变化将引起排水渡槽整体温度场的不
均匀分布，尤其夏季遭受高温和太阳暴晒时，渡槽内
部各点温度变化更为复杂。结构温度改变将引起复
杂的长期温度应力和短期温度应力。长期温度应力
是年温度变化造成的温度应力，能使渡槽结构产生较
大的整体变形，但年温度变化十分缓慢，整个水工混
凝土排水渡槽结构温度变化均匀，简支约束渡槽结构
长期温度应力小；短期温度应力是指日照温度变化引
起的温度应力和秋冬季急剧降温引起的温度应力，渡
槽结构各表面温度变化大不相同，渡槽边壁和底板温
度差很大，从而形成较大的温差应力，甚至达到或超
过混凝土轴心抗拉强度标准值，造成渡槽混凝土表
面开裂。长期温度变化限值依据工程所在地长期温
度监测资料确定，短期温度变化可依据《公路桥涵设
计通用规范》(JTG D60—2004)确定。考虑因季节更
替、日夜循环和太阳暴晒辐射等多种因素对渡槽温度
场的影响，取预应力排水渡槽整体温升20℃ ，太阳辐
射表面混凝土温升最大值为25℃ ，太阳最大辐射角
为75。。
一般来讲，预应力排水渡槽的设计原则为：
①预应力施工阶段渡槽混凝土承受的法向压应力不
应大于0．、法向拉应力不应大于 ( 分别为
张拉预应力钢筋时混凝土的轴心抗压、抗拉强度标准
值)；②荷载效应标准组合下，正截面混凝土法向应力
不应大于0．7 (y为截面抵抗矩塑性系数为混凝
土轴心抗拉强度标准值)；③对于主要荷载均是长期
作用的情况，构件抗裂验算边缘不宜出现拉应力；
④各荷载效应组合作用下渡槽变形满足规范要求；
⑤承载能力满足规范要求。
考虑到该矩形预应力混凝土渡槽采用单向预应
力，对渡槽混凝土纵向应力可按上述原则① 一③进行
控制，对渡槽竖墙混凝土的竖向应力、底板和横梁混
凝土的横向应力则需进行限裂验算。抗裂验算时，结
构构件受拉边缘的拉应力不应超过以混凝土拉应力
限制系数控制的应力