现代大型渡槽结构型式综述

现代大型渡槽结构型式综述
作者：李枫吴艳奇
来源：《科学与财富》2016年第16期
摘要：现代大型渡槽发展迅速，各种新型渡槽不断涌现并广泛应用于工程实践。

本文从渡槽支撑结构的受力形式和槽身结构对渡槽结构型式进行详细的归纳分类，并对超大型渡槽结构未来的发展做了展望。

关键词：大型渡槽；结构型式；分类方法
0引言
现代大型渡槽主要以钢筋混凝土或钢架（桁架）结构实现大跨度和大流量的设计要求，联系着主要的输水渠道，是极为重要的生命线工程[1]。

渡槽的选型需要综合考虑使用、经济和施工要求，此外，作为大型水工结构还要考虑抗震和抗风方面的要求。

目前对大型渡槽结构和选型的研究引起大量学者注意，然而对大型渡槽的结构型式的分类则十分混乱，已不能满足渡槽理论和实践的发展需要。

本文总结了近年来大型渡槽的结构型式特点，将其整理并分类进行综述。

1渡槽型式的分类方法
渡槽是由支承结构、槽身、基础以及进出口建筑物等部分组成，槽身位于支承结构之上。

渡槽的分类方式要能够反映其结构特点，受力状态和载荷传递方式等主要设计的科学依据。

渡槽的支撑结构即其纵向受力结构，将渡槽上部结构自重和过水载荷传递到基础，然后再通过基础传给地基。

槽身作为渡槽的主体，其结构和断面型式影响过水情况、槽身的结构强度和稳定性。

如此，依据渡槽的支承方式和槽身结构进行分类较为科学，这也是现在学术文献和工程中最常见的型式分类方法。

2渡槽的结构型式
2.1渡槽的支承结构
渡槽支承结构的不同主要体现在其纵向受力结构上，一般按照渡槽支承结构形式主要分为梁式、拱式、桁架式以及斜拉或悬吊式和其它特殊形式渡槽。

常见的大型渡槽承重结构通常为拱桁架、薄壁墩或重力墩、排架[2，3]。

（一）梁式渡槽
梁式渡槽是将槽身直接搁置在槽墩或槽架上的一种渡槽结构形式，槽身既起输水作用又承受荷载起纵梁的作用。

根据支点数目及位置的不同可以将其分为简支梁式、双悬壁梁式、单悬臂梁式以及连续梁式。

其受力共同特点为支座只承受竖向的支座反力，对于连续梁式渡槽，其跨中弯矩可大大降低从而为增加梁式渡槽结构的跨度提供了可能[4，5]。

横向挡水和纵向承重结构相结合的多纵梁渡槽结构可以有效减小跨中弯矩和应力，增加渡槽的跨越能力；采用二次预应力施工对大型墙梁式渡槽的长期持荷受力非常有益；多厢互联连续梁式渡槽具有大跨度、大流量和经济性较好的特点。

梁式渡槽具有结构简单、受力明确、施工方便等优点。

梁式渡槽较适用于较好的地基条件，结构对温度变化及不均匀沉陷比较敏感，容易引起槽身变形，影响过水甚至发生漏水现象[3]。

（二）拱式渡槽
拱式渡槽的支撑结构是由墩台、主拱圈及拱上结构三部分组成，渡槽槽身搁置在拱上结构之上。

拱式渡槽的主拱圈是主要承重结构。

根据拱上结构形式的不同又可分为实腹式拱式渡槽和空腹式拱式渡槽两类。

而根据主拱圈的结构形式不同拱式渡槽又可分为板拱、肋拱、箱拱、双曲拱。

肋拱中近些年来逐步发展起来的钢管混凝土桁肋拱体现出了巨大的优势，其由钢管混凝土弦杆和空钢管腹杆组成，结构自重轻，适用于较大的跨径。

拱式渡槽具有体型优美、结构承载性能好、跨越能力强以及经济适用等优点。

然而拱式渡槽的拱脚在荷载作用下会产生较大水平推力，对墩台结构的刚度和稳定性均具有较高的要求。

多跨连拱渡槽有连拱效应，每隔几跨需设加强墩，增加工程造价。

此外，支座位移和温度升降，均会产生较大的拱圈内力[6]。

（三）桁架式渡槽
桁架式渡槽可以分为梁型桁架式渡槽、桁架梁式渡槽和桁架拱式渡槽。

桁架式渡槽充分发挥了材料的特性，具有施工快速、经济性好、纵向刚度大和重量轻等优点。

（1）梁型桁架式渡槽又可分为简支型和双悬臂型两种。

简支梁型桁架渡槽的桁架按弦杆的外形分，又有平行弦桁架、折线或曲线弦桁架、三角形弦桁架等数种。

影响梁型桁架结构内力和变形大小以及工程量的两项重要参数为桁架的高跨比和节间距。

（2）桁架梁式渡槽则是桁架和梁相组合的型式，它是以矩形截面槽身的侧墙和1/2槽底板取代梁型桁架的上弦杆或下弦杆，是一种不产生水平反力的结构。

该结构的特点是将槽身的部分荷载传递给弦杆承担，从而使槽身成为多跨弹性支承连续梁，进而达到大幅度减小槽身弯矩增大跨度的目的。

而根据所取代的杆件又可分为上承式桁架梁渡槽和下承式桁架梁渡槽。

（3）桁架拱式渡槽是兼有桁架和拱两种结构的有利因素，是一种具有水平推力的桁架结构。

其能充分发挥材料的受力性能，杆的截面尺寸减小，但整个结构刚度增整体性和稳定性都有所提高，承载性能好，跨越能力有进一步的提高。

按槽身在桁架上的位置可分为上承式、中承式、下承式和复拱式。

按腹杆的布置形式则又可分为有斜杆式桁架拱和竖杆式桁架拱。

（四）斜拉式渡槽
斜拉渡槽一般由塔、墩、拉索及主梁（槽身）四部分组成，主梁由塔上伸出若干斜向的拉索吊起，从而形成一种多次超静定的承重跨越结构。

其与其它结构相比具有十分明显的优点，因其是一种高次超静定结构，衰减性能良好。

并且斜拉结构对地形的适应性较强，造型简明轻巧美观。

但是槽身过大的变形影响渡槽的过水能力，限裂止水等关键的技术问题尚待解决。

2.2渡槽的槽身结构
渡槽槽身为过水结构，主要起输水作用，对于梁式、拱上结构为排架式的拱式渡槽，槽身还起纵向梁的作用。

按照结构断面几何特征来分，渡槽有矩形、U 型、梯形、椭圆形、弧形底梯形、弧形坡脚梯形、抛物线形以及圆管形等及有带拉杆、不带拉杆、箱形结构以及设置横向加强肋的形式，其中以矩形渡槽和U形渡槽应用最为广泛。

（一）矩形渡槽
矩形渡槽是槽身横断面为矩形的渡槽结构形式，具有整体性好，刚度大，受力明确等优点。

现有矩形槽身大致可以分为悬臂侧墙式矩形槽、加肋式矩形槽、多纵梁式矩形槽、箱式矩形槽以及多箱互联式矩形槽五类。

矩形槽身整体刚度较大，纵向挠度较小，槽身预制施工比较简单，适用于大流量渡槽，且可以采用多框架矩形槽身型式。

它的迎风面与背风面都是竖直的平面，对风的阻力较大。

此外，多纵梁矩形渡槽底部纵梁跨中挠度大于侧墙挠度，底板受力非常复杂；箱式渡槽结构复杂、自重大、受力不均匀、应力集中现象突出。

（二）U形渡槽
U形渡槽槽身横断面由半圆加直段构成，其突出优点是水力条件好，应力集中较矩形断面大大减小。

U型渡槽造型好、结构简单、受力明确、水利条件优越。

由于纵向刚度大，结构有足够的强度、刚度和稳定性，对风的阻力减小，抗风稳定性较为有利，结构的安全性比较好。

它结构重量轻、施工方便，能适用于各种施工方案，从而节省了工程量和工程投资，特别容易实现吊装方案，便于工厂化生产及管理，质量容易保证。

然而U性断面型式的预制施工比较复杂。

（三）其他断面型式渡槽
梯形截面渡槽预制施工较简单，但横向受力条件不利。

由于迎风与背风面都是倾斜的，使其对风的阻力较小，抗风稳定性好。

环形截面渡槽横向受力条件与抗风稳定性最好，但施工较复杂。

新型抛物线型及其他形式断面渡槽目前应用较少，尚待进一步的理论研究和工程实践经验的检验。

3渡槽型式的发展
随着渡槽结构型式的不断发展，特别是近年来一些大跨度渡槽结构型式在实际工程的应用，不难看出渡槽结构型式的一些发展趋势。

其一，对于成熟渡槽结构型式如梁式渡槽等的优化设计是目前学者和广大工程设计人员研究的重点，其中借助于计算机软件进行相关的分析与研究已取得了相当好的效果，在今后的结构选型与优化设计中将会扮演越来越重要的角色。

再者，对于超大跨度的渡槽结构型式的探索与研究将逐渐提上日程。

例如斜拉结构、悬吊结构具有很好的跨越能力，在桥梁工程中已达到千米跨度，显然其对于渡槽结构具有很好的借鉴意义，目前旨在解决其抗风、抗震问题。

4结语
综上：渡槽的结构型式多种多样，结构特点明确，施工技术也较为成熟，现已基本能满足工程建设的需求。

目前国内关于渡槽结构的方案论证、结构选型和设计都基于对槽身结构的研究和改进，针对大型渡槽支承结构的研究则十分缺乏。

渡槽支承体系对维持渡槽的结构稳定性，地基适应性和结构抗震稳定性等具有关键作用[7]，因此现代大型渡槽及行将出现的超大型渡槽应综合考虑支承结构和槽身结构的研究和优化。

参考文献
[1] 李遇春，楼梦麟，周成. 大型渡槽的竖向地震效应分析[J]. 地震工程与工程振动，2008， 28（2）：102-107.
[2] 李遇春，李锦华. 关于大型渡槽结构设计的几个问题[J]. 中国农村水利水电， 2006（7）：57-60.
[3] 何英明，王长德，雷声昂，等. 多厢互联预应力混凝土渡槽设计方法[J]. 水利水电技术， 1999， 30（2）：1-3.
[4] 夏富洲，王长德，曹为民，等. 大流量预应力渡槽设计和施工技术研究[J]. 南水北调与水利科技， 2009， 7（6）：20-25.
[5] 傅志敏. 斜拉式大型渡槽槽身优化设计研究[D]. 河海大学， 2003.
[6] 杨国瑞. 上承式预应力拉杆拱式渡槽设计研究[D]. 山东大学， 2009.
[7] 刘桃溪. 拱式渡槽结构抗震研究[D]. 西北农林科技大学， 2012.
作者简介：李枫（郑州大学土木工程学院）吴艳奇（郑州大学土木工程学院）。