【摘　要】南水北调中线总干渠上的一座大型交叉建筑物——漕河渡槽是第一个采用预应力结构的工程。系统地介绍了渡槽结构特点、荷载内力计算、
钢绞线数量计算和预压应力复核，以及钢绞线在中、边墙内的布置，为同类工程提供了具体设计实例。
【关键词】渡槽；预应力；钢绞线；布置
 中图分类号：TV314         文献标识码：B

1  工程概况
    漕河渡槽是南水北调中线总干渠上的一座大型交叉建筑物，全长2300m。渡槽设计流量125m3/s，加大流量150m3/s，相应槽内水深分别为4.15m和4.8
m。渡槽以满易公路 （桩号376+410）为界划分为东西两部分。公路以西为旱渡槽段，以东为主河槽段。渡槽的结构型式，采用20m跨（旱渡槽段）和30m
跨（主河槽段）单联3孔多纵墙矩形槽结构方案。
    渡槽上部矩形槽沿水流方向每跨皆为简支梁式，单孔断面净宽6.0m，槽深5.4m。槽外侧加设底肋和侧肋，间距2.7m，底肋断面0.5m×1.0 m，侧肋断
面0.5m×0.7m。槽顶部设有拉杆，断面尺寸（b×h）0.5m×0.4m。槽身底板厚0.5m，侧墙厚0.6m，中墙厚0.7m。为便于布置预应力钢绞线，纵墙底板以
下断面扩大，形成“马蹄”状，并在纵墙和底板连接处设有贴角，因此这种结构又叫做带“马蹄”的多纵墙矩形槽结构。“马蹄”断面尺寸（b×h），
中墙为1.4m×1.5m，边墙为1.3m×1.5m。
2  渡槽上部矩形槽结构型式
    根据水工建筑物荷载规范，槽身主要荷载包括自重、水重、水压力、风压力、冰盖冻胀压力、人群荷载和地震力。钢筋混凝土自重按25kN/m3，水重
按10kN/m3，基本风压力按0.4kN/m2，人群荷载按2.0kN/m2计。结冰厚度根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》按0.4m考虑，相应冰盖冻胀压力为85.0kN/
m2。工程所在区域地震基本烈度为6度，地震力可不计。
2.1 基本荷载组合
    （1）渡槽通过设计流量时的正常运用情况，主要荷载包括自重、水重、水压力、风压力、冰盖冻胀压力和人群荷载,简称“设计+冰”工况。
    （2）建成无水情况，主要荷载包括自重、风压力和人群荷载，简称“空槽+风”工况。
2.2 偶然荷载组合。
    （1）渡槽通过加大流量时的校核运用情况，主要荷载包括自重、水重、水压力和冰盖冻胀压力，简称“满槽+冰”工况。
    （2）局部槽孔检修时的特殊运用情况，主要荷载包括自重、水重、水压力和人群荷载。考虑到对称检修的原则，该工况又可分为“中孔检修”和“
两边孔检修”两种情况。
3  建筑物荷载及其组合
    槽身内力计算采用结构力学方法，按平面问题横向、纵向分别计算。横向计算时，考虑到槽身横断面为加肋带拉杆的多支座矩形闭合框架，认为底肋
是支承在纵墙上的；侧墙按一端简支一端固定的T型梁计算， 并用三边固结一边简支的板进行复核。底板既是支撑在底肋上的连续板，又是中、侧墙纵向
I字梁的翼板。 纵向计算时，中、侧墙视为简支梁并以横向计算中求出的支座反力作为纵向荷载，按受弯构件计算内力，计算跨度根据支座布置主河槽段
取27.5m，旱渡槽段取17.5m。30m跨各纵墙跨中弯矩计算成果见表1。
                                           表1  30m跨各纵墙跨中弯矩计算成果表  单位：

表1计算结果表明，各纵墙控制工况均为“满槽+冰”情况，此时中墙和边墙跨中最大弯矩分别为75229.6 和47529.1。在施工期间若仅考虑自重作用时，
中墙和边墙均布荷载分别为309.22 和241.03，跨中最大弯矩为29231 和22806.6 。
    承载能力和正常使用计算是以内力计算结果为依据的。计算时底板按矩形、侧肋按T形截面受弯构件，底肋按T形截面偏心受拉构件，纵墙按简支受弯
梁计算配筋和抗裂。经计算除各纵墙需施加单向预应力外，其余各部位均能满足强度和抗裂要求。 
4  中边墙跨中断面预应力计算
4.1 预应力材料选择
    根据槽身结构特点，槽身纵墙需施加的预应力拟采用后张法施工，预应力钢材选择常用的每束7股15.2mm钢绞线,公称面积Ape=139mm2，抗拉强度标准
值 =1860 MPa,强度设计值 =1260 MPa，张拉控制应力 =0.7=1302 MPa。按照《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191-96）估算，钢绞线由于锚具变形、
孔道壁摩擦、应力松弛和混凝土收缩徐变等因素引起的预应力总损失 =192.2 MPa，有效应力 =1110MPa,每束钢绞线有效预应力应为 =Ape× =155.4kN/
束。
    混凝土强度等级C50，轴心抗压强度标准值 =32.0 MPa，抗压强度设计值 =23.5 MPa；轴心抗拉强度标准值 =2.75 MPa，抗拉强度设计值 =2.0 MPa。
4.2 断面几何特性
    根据中/边墙跨中断面图，各部位断面尺寸底板计算宽度为6.7/3.3m，计算高度H=7.4/7.4m，有效高度即底部受拉区预应力中心至顶部受压区边缘的
距离=6.4/6.55m,净断面重心至受压区边缘距离=4.19/4.267m,净断面计算面积=10.38/8.06m2,净断面惯性矩=52.2/41.623m4受压区预应力保护层=0.25/
0.25m。
    根据以上断面尺寸,可以计算出下面预应力计算中将要用到的的几个重要的断面几何特征指数，如表2。
                                                表2        中/边墙跨中断面几何特征指数

                                 注：—正常运用期间钢绞线计算时采用的断面几何特性综合指数。
				                      —施工期自重应力替代钢绞线计算时采用的断面几何特性综合指数。
4.3 荷载引起的断面边缘应力
    中/边墙跨中断面在“满槽+冰”最不利荷载组合条件下，按照纯弯构件计算受拉区边缘应力为 =-4426 /-3582kPa，受压区边缘应力为= 6038/4873k 
Pa。（“-”号表示拉应力， “+”号表示压应力 ） 在施工期间仅考虑自重作用时， 中/边墙跨中断面受拉区边缘应力为=-1797.54 /-1716.7kPa，受压
区边缘应力为 =2346.3/2338.0kPa。
4.4 断面预应力计算
    混凝土结构施加预应力能人为地预先对结构造成一种应力状态，其应力大小、分布规律与外荷载产生的应力相反，使之可以抵消正常运行情况下外荷
载产生的全部拉应力（叫做全预应力结构）或部分拉应力（叫做部分预应力结构）。很显然,预应力做为一种荷载主要应施加在结构断面的受拉区一侧。
    由于受拉区预应力合力作用点一般位于断面重心三分点以外，根据力学规律,在受拉区施加预应力的同时在受压区边缘会出现拉应力。为了防止混凝
土裂缝，此时在受压区也应布置少量的预应力。 在专业技术书籍中称这种受拉区、受压区都配有预应力的结构叫做双向预应力结构。
    漕河渡槽按照全预应力结构和双向预应力结构双重要求进行配置， 配置的基本原则是保证结构受拉区边缘在最不利荷载组合条件下不出现拉应力。
    为了充分利用混凝土的抗压性能，节省钢材，初设阶段可适当考虑利用施工期自重对结构的有利影响。其基本思路是，将自重在受压区边缘引起的法
向压应力 视为替代钢绞线作用的结果。如此，和受拉区预应力计算方法一样，以受压区边缘应力 为控制可以计算出替代钢绞线数量。不过为了确保混凝
土抗裂的安全性，受压区边缘自重应力一般只能利用其中的50%～70%，为此在计算中引入一个自重应力利用系数=0.6。最后，从正常运用情况下的预应力
配筋量扣除上述替代钢绞线数量即为考虑自重影响的配筋量。
    正常运用情况下预应力钢绞线和考虑自重影响的替代钢绞线计算公式及计算结果见表3。
                                             表3          中/边墙跨中断面预应力钢绞线计算结果

    由表3计算结果可知，在不考虑自重影响的条件下中墙跨中断面受拉区钢绞线配置数量不少于144束，受压区不多于28束；边墙受拉区不少于92束，受
压区不多于19束。若考虑自重的影响则中墙受拉区不少于129束,受压区不多于3束；边墙受拉区不少于81束，受压区为0束。需要指出，按不考虑自重计算
出的钢绞线数量是保证结构运行安全的最大配筋量，可研阶段可按此工程量计列。
4.5 断面边缘预压应力复核
    槽身断面按上述方法计算出钢绞线数量之后，应对受拉区、受压区在施工期和运用期的边缘应力状态进行复核， 以检验是否满足规范要求。
    复核结果如表4所示。 表4中结果表明，中/边墙跨中断面配置预应力后，无论是在施工期还是在正常运用期，其受拉区、受压区边缘应力均不会出现
拉应力。其中受拉区运用期的压应力为88.4kPa～162kPa，受压区为3489kPa～6020kPa，均满足规范要求。两种情况的差异， 主要是施工期由于自重的考
虑和受压区预应力的减少，导致边缘压应力减小。比如中墙受压区钢绞线由28束减为3束后，使施工期压应力由
2345.8kPa降至913kPa。不过受压区钢绞线的减少对正常运用期的应力影响不大。
    关于对混凝土抗压安全评价，由于其抗压强度较高，轴心抗压设计值达23.5kPa，受压区最大压应力不及其中的26%，说明断面混凝土抗压安全储备足
够富裕。
                              表4  跨中断面受拉区和受压区边缘预压应力复核成果表    单位：kPa 

5  预应力钢绞线的布置
5.1 预应力构造要求和布置原则
    对于跨中断面由于外荷弯矩较大，应尽量降低其重心位置，加大预应力合力的偏心矩，以产生较大的平衡弯矩。对于支座断面由于外荷弯矩较小，宜
相应减少钢绞线数量，以免因配筋过多引起受压区边缘裂缝。钢绞线布置的具体位置应使其重心不超出“束界”范围。根据弯起钢筋的一般规则至少有约
1/3钢绞线应逐步弯起，这对于抵消支座附近较大的外荷剪力，改善锚固区局部应力集中和锚具的布置是有利的。 钢绞线弯起的角度根据其所承受剪力分
布一般不大于20o，弯起点位于跨径的三分点至四分点之间，弯起曲率半径不小于4.0m以减少预应力损失。弯起曲线形状可采用圆弧、抛物线或悬链线，
一般常用圆弧形。为了加强混凝土局部承压能力，钢绞线锚固端应设螺旋筋。
5.2 跨中断面预应力布置
    对于后张法预应力施工，通常的做法是将若干束钢绞线做为1簇穿入聚乙烯波纹管内，并固定在浇注仓指定的位置再灌注混凝土，待混凝土强度达到7
5%设计值以上时方可进行张拉。波纹管直径有不同的规格，本工程拟采用φ100mm型的，该型号可穿钢绞线7~12束。
    根据上述布置原则，即使在同样配筋率的条件下也会排列出不同的组合布置方案。现针对中墙跨中断面以受拉区不少于144束、 受压区不大于28束的
最大配筋量做为控制，提出一种较为合理布置方案。需要说明，受拉区配筋量应同时布设在“马蹄”和底板两个区域，底板内的配筋按照断面预压应力三
角形分布图形进行分摊约占总量的30%。也就是说受拉区的144束，其中42束布置在底板内，102束布置在“马蹄”内。底板内拟设6个孔道，“马蹄”两侧
各3个，每个孔道7束钢绞线。“马蹄”内拟设10个孔道，每个孔道10束钢绞线。10个孔道分为3列，中间一列4个孔道（1个直通筋，3个弯起筋），其它两
列3个孔道（均为直通筋）。受压区钢绞线，拟分为3个孔道，每个孔道9束。
5.3 锚头布置
    根据施工要求，钢绞线张拉端锚头中心距应不小于28cm，中边距不小于17cm。经对“马蹄”区域的钢绞线进行排列和布置，实际锚头中心距为35cm，
中边距为30cm，均满足要求。
6  结语
    （1）漕河渡槽是南水北调中线总干渠上的一座大型交叉建筑物，渡槽结构型式采用单联3孔多纵墙矩形槽结构方案。
    （2）通过结构内力和结构承载力计算，槽身纵墙需要配置单向预应力。
    （3）按照现行有关规范进行计算，中/边墙最大配置钢绞线数量受拉区应不少于144/92束，受压区应不多于28/19束。
    （4）经对断面边缘预压应力进行复核，在最大配筋量条件下无论是在施工期还是在正常运用期，其受拉区、受压区边缘应力均不会出
现拉应力。说明按照计算出的最大钢绞线数量进行配置是合理的。