宋家嘴渡槽修复加固设计中几个问题的探讨

89宋家嘴渡槽修复加固设计中几个问题的探讨宋家嘴渡槽位于东风渠总干渠54公里处，可通过17个流量，控制灌溉面130万亩。渡槽全长1990米，是东风渠最长的渡槽，共123个排架，124跨槽身。1983年两次大风，渡槽先后两次被吹垮832米，49个排架。其余没有吹倒的74个排架都有不同程度的损坏。因此在渡槽修复的同时，对未倒排架进行了加固处理。原渡槽采用矩形简支槽身。排架式支墩结构型式。因此在修复设计中对于槽身的结构断面型式，考虑到水面连接而完成采用原布置型式，只对槽身的结构布置作了一些调整（如图一），支墩则根据高度不同分别采用了工厂预制，现场安装的双排架16个；排架断面为45×50厘米，横槽身方向中矩3.1米，顺槽方向中矩1.9米。预制块砌筑式空心墩33个，顶部尺寸为200×400厘米，按1/40放坡。壁厚30厘米，同基础连接的2米采用现浇砼，壁厚扩大为50厘米。外包加固排架74个。壁厚采用15厘米，按空心柱设计。现将修复加固设计中遇到的几个问题分述如下：图一一22182017310401829090一、风荷载问题风压力计算问题，是本次渡槽复建加固设计中争论较多的一个技术性问题。由于水工建筑规范没有具体对渡槽风压力计算作出规定，一般参照TJ9-24建筑结构荷载规范执行。规范中对渡槽这种结构形式如何计算风压力也没有规定，只能参照类似情况选用。因此随设计人员的认识不同，即使风压等级和风速相同也会得出不同的风载。特别是本次渡槽倒塌的直接原因是风荷造成的，所以对建筑物的受风面和风荷的计算有着不同的看法。对排架柱武汉水电学院农水系水工教究室编写出版的《水工建筑物》在渡槽排架的计算中认为两肢柱间距，大于肢桂边长尺寸4-5倍时，迎风面肢柱虽对背风面肢柱有挡风作用，但影响很小，可近似认为两肢柱所受风压力相等。而对槽身的迎风面，背风面压力如何考虑没有明确说明。以往的设计风压力系数K均在1.3-1.4之间。本次设计中，我详细分析了（TJ9-74）规范中与渡槽相近的风荷体型系数。最大为采用两面独立墙K总为2.6，最小为四周封闭的皮带走廊K总为1.7，居中为采用复杂屋面和带挡风板的屋面K总均在2以上。鉴于该渡槽的实际情况是虽两次被风吹倒，但均没有取得实际风速风压资料。加之设计时间太紧，不允许我们作过多的分析研究工作。最后采用了K总为2.6的两面侧墙为各自独立的同时对等的承受风压力。这种考虑是不够合理的。但像渡槽这样体型，即无实验资料又无规范可循，系数究竟取多少为妥，是关系到渡槽设计安全经济合理至关重要的数据，望有关科研部门应尽早研究解决。但是以往取K值仅为1.3-1.4肯定偏小，起码不应低于1.7为宜。风荷计算另一个值得提出的问题是风振系数，以往设计中很少考虑。有关教科书中也只讲了在高排架时才考虑由于风荷对结构引起的振动，而产生的附加荷载的影响，附加荷载的大小由结构的振动周期T来决定。T越小附加荷载越小，反之越大，对于宋家嘴渡槽的实际情况，空心墩支撑只有当高度低于18米时，排架支撑只有低于15米才不考虑风振系数。因此我们认为只要当支撑高大于15米时，不管是采用空心墩还是排架均应考虑风振系数的影响。对于宋家嘴渡槽考虑风振影响时，风压力将提高25-45%左右，这是一个不允许忽略的重要因素。二、侧墙兼作纵梁的槽身配筋计算问题侧墙兼作纵向承重大梁是60年代前后在我国开始应用的新的渡槽设计理论，对这一问题并没有什么疑虑。主要是侧墙作承重大梁后，对侧墙的配筋如何考虑，本次设计也是一个有争议的问题。一般的计算方法是将槽身横向受力筋同时也作为纵向抗剪91计算的箍筋使用，我们认为这种做法不尽合理，因为侧墙是一个双向受力结构，横向配筋是承受横向水压力所需的配筋。而纵向抗剪所要的配筋是承受均匀水重荷载而产生的剪力。它们属于不同性质的两种内力。钢筋在混凝土中是一条线。它本身只可能承担轴向力，横向计算中已考虑了它的作用。纵向计算中又给它加担子，这样一种钢筋就要同时承受两方面的内力，显然不够合理。因此我们认为横向抗剪计算能被利用作抗剪箍筋用的只能是横向配筋中富余的部分钢筋。而不能简单地把横向受力筋作为抗剪箍筋使用。即使抗剪计算只要按构造配置箍筋，也应按《SDJ20-78》水工钢筋混凝土结构规范的119条、120条加配构造箍筋。实际上侧墙是一个弯扭构件。我们粗略的把槽身横向分析中拉杆的内力乘侧墙高度的一半作扭矩，按弯扭构件配筋，所需箍筋配用量将比横向分析所需配筋量多（10-20%）左右。这也说明侧墙兼作承重大染，只按横向需要配置箍筋是偏于不安全的，特别是支座处更为严重，最近我们复核郭家冲渡槽时，若横向配筋作纵向抗剪筋使用，抗剪筋已满足要求，但是使用情况是槽身支座部位有明显可见的斜向裂缝，抗剪不能满足要求也是一个例证。三、空心墩的型式选择问题空心墩外形多种多样，有罗马Ⅱ字，矩形小园形，矩形半园形等多种型式。究竟选择何种型式为好。一般认为罗马Ⅱ字形较优越。对于每一个具体问题是否也是这样，特别是本渡槽的风压力较大是否也是罗马Ⅱ字形优越，我们采用了截面面积一样，迎风面宽一样，综合比较截面模量，基础所需最小平面尺寸（指满足结构布置的最小尺寸），单位高度的风压力系数三项指标择优选用的方法比较各种型式，根据本渡槽的实际情况选定底面积为A=6.505㎡，迎风面宽为4米计算得成果如下表：92空心墩截面比较表项目矩形小园形罗马Ⅱ字形矩形半园形型式A6.505㎡6.505㎡6.505㎡迎风宽444长度L86.8249Jy50.50645.98654.55Wy12.62712.42912.122基础尺寸9×57.8×510×5单位高度风压系数6.812.25.6通过上述比较计算采用了矩形园头型式比较合适。这种型式截面模量较大，基础尺寸，单位高度的风压力系数居中且都比最优情况增加不多，而且四角园头可设计成定半径方便施工。四、预制砌筑式空心墩的整体性问题。由于施工技术水平，工程条件的限制，空心墩不能采用现浇砼滑模施工，而只能采用预制块砌筑施工，加之起吊设备的限制，每块预制块的重要不宜超过250公斤，所以该渡槽采用每块预制块砌筑高度为40厘米的小块座浆砌筑的办法施工，如何保证空心墩的整体性是设计中研究较多的问题。设计中考虑了采用每块预制块插筋的办法。但由于施工繁杂，严重影响了工期，又不易保证质量，施工队伍不愿接受而没有采用。通过反复研究比较后采用每砌筑5米高度设置一道水平现浇钢筋混凝土圈梁以加强砌块的水平整体性，并在四边的中点设置现浇钢筋混凝土垂直梁以加强垂直向的整体性。通过施工实践证明此种办法既解决了小块砌筑空心墩的整体稳定性，又大大的方便了施工，特别是空心墩的整体收分的控制，工作量大，预制件尺寸往往难于严格按设计控制，施工控制就更难掌握，而设置了圈梁水平方向的尺寸大小均可通过现浇圈梁，垂直梁来调节。垂直梁施工与砌块施工干扰也易解决，在今后的预制块砌筑施工的空心墩中是较好的结构型式。93五、排架加固的计算理论和方法1、计算方法渡槽的双支排架是一个超静定的空间结构，采用何种方法进行排架内力分析计算关系到结构设计的经济合理，安全可靠运行。现代计算技术的发展结构计算的方法很多，一般有力法、选代法、反弯点等各种计算方法可供选用。使用时一定要根据结构的实际条件，受力状态合理的选用计算方法。这样所得成果才能反映客观的受力状况。宋家嘴渡槽排架是一个刚性节点的多层单跨四肢柱的排架，结构对称，且排架主要受风压力及垂直水重槽重荷载，因此可简化成平面结构来计算。垂直压力为中心受压的节点荷载，不考虑微变形产生的力矩，因此它不产生弯矩剪力，风荷载为反对称的水平荷载。节点除了转动外还有水平移动，结构布置上横梁的刚度一般小于和略大于排架柱刚度，因此用无剪力力矩分配法计算排架内力是比较合适的，不宜采用反弯点法计算排架内力，因为反弯点法的基本理论是认为横梁刚度很大，节点的转角近似为零而不计转角对立柱弯矩的影响而采用的近似计算方法，只有当梁的线刚度大于立柱线刚度3倍以上时才能考虑此法。而目前水工设计的排架一般难于满足此前提条件，所以采用反弯点法计算结果差别较大，且偏于不安全这点务必充分注意。2、外包钢筋砼加固排架的截面刚度与配筋计算问题没有吹倒的部分排架我们采用了外包钢筋砼的办法进行加固。这个办法加固对于截面的抗弯刚度和配筋如何计算？该渡槽的加固设计根据工程的实际情况认识，加固排架数量大且工期短，又没有专业施工队伍，不可能进行大面积的凿毛处理，即是处理新老砼之间的四边自然缝也难形成整体，因此在计算截面抗弯刚度时，不计原截面的作用，假定为一个空心矩形截面来进行结构内力分析和配筋计算，这种计算假定不考虑原结构的作用，必然增加了钢筋用量，使新加砼的截面尺寸偏大。致于原砼能否起作用，起多大作用，还是一个有实际意义的研究课题。六、基础及地基应力设计问题从宋家嘴被吹倒的排架来看，基础受损没有排架那么严重，在设计中采用地基允许承载力红砂岩[σ]=35吨/㎡，其它土基，砂砾石[σ]=20吨/㎡，不考虑由于基础深度，宽度引起的承载力修正系数，因此不计土重对基础应力的影响，只考虑结构本身基础的应力，并控制最小应力σmin大于零。根据上述指标设计的基础尺寸都比较大，一个基础需砼100立方米，钢材1吨，造价近1万元。94基础肥大，也是争议比较多的一个问题，如果基础允许出现点拉应力，并按基础应力图形计算压应力和作用位置，取其合力作用点至最近边的距离为假设基础长度一半，再按中心受压核算要求不超过允用应力，则基础受力方向长度可减小10-20%，投资可节约7-15%左右，节约的总投资就相当可观了，但由于技术水平和工期限制没有来得及认真研究，宋家嘴渡槽基础仍按不出现拉应力设计。另外，加固基础设计中的新老砼结合和整体受力也是基础设计中普遍关心的问题。我们采用在老砼的垂直面上开凿每米不少于两条深5厘米，宽20厘米的水平齿槽以传递剪力。在老砼顶面设置原度不少于90厘米，平面尺寸大于原基础不少100厘米的钢筋砼基础盖，以保证新老砼共同受力，这些都有待今后研究和实践。其他如在支座设计中我们采用了切线支座型式，大大改善了槽身和墩帽的受力状况，伸缩缝设计中我们大胆采用了锯末砼作为伸宿缝填料的新工艺，都取得了较好效果，这些改进施工都比较方便，尤其是锯末砼作伸缩缝填料，不但省料、省钱，而且运行管理方便，修补容易，是简支渡槽较理想的止水材料。以上这些是我们修复加固设计中遇到的几个问题的肤浅认识和作法。由于水平有限，其中必有谬误之处，请多提意见，以求在今后的设计中改进。