《南水北调中线工程大型倒虹吸结构设计》

吸结构设计，对特大型倒虹吸的结构型式和受力性能进行了分析探讨。通过对目前较有代表性的三种结构计算方法的比较，找 出了各种计算方法的优缺点，并推荐 ()*+, 弹性地基梁法作为倒虹吸设计的首选计算方法。 关键词：倒虹吸；结构设计；南水北调 中图分类号： -.$! 文献标识码： /
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引言 基本情况 南沙河倒虹吸工程是南水北调中线河北省段内最大的
素的有效投入和优化组合，其中人才是最活跃的核心因 素，是“第一资源”。当前解决人才问题要着重抓三条： 一是留住和用好人才。现在，我省水利战线上已有一批老 专 家 老 技 术 人 员 离 退 休 ， $、 & 年 内 还 将 有 更 多 的 同 志 退 休，其中不少人是我省水利事业中的专家、技术尖子或学 术带头人。他们大部分身体还好，还能继续为我省的水利 事业做贡献，是国家和人民的宝贵财富。因此，各级领导 要有求贤若渴的紧迫感和诚招天下贤的胸襟，创造良好的 机制、政策和环境为他们继续为我省“科教兴水”做贡献 创造条件，同时，加强企业内技术创新人才的培养，提高 技术创新人才的比重。二是吸引人才。进一步完善人才市 场，进行多形式，多渠道，多层次的人才流动。要努力把 外来人才吸引到水利系统工作，使天下之才为我所用。三 是大力培养人才。造就一批适应市场竞争，善于经营管 理，勇于开拓创新的技术和经营管理的复合性人才，使一 大批年富力强的中青年专业技术创新带头人脱颖而出，走 上关键岗位，建设一支具有现代技术的产业工人队伍，要 充分利用现有教育培训设施和手段，大规模、有计划地开 展对职工的岗位培训，增强各类劳动者的创新意识，鼓励 劳动者自觉学习科学技术和现代化生产经营方法，支持劳 动者在实践中进行各类技术革新和发明创造活动。
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文章编号：!##01&!0, % "##! ’ #$1!!1#"
河北水利水电技术
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南水北调中线工程大型倒虹吸结构设计
刘树玉
% 河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄
摘
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要：在大型输水工程中，交叉建筑物的设计与优化，在整体工程中占有重要地位。本文结合南水北调中线工程南沙河倒虹
表! 部位 侧墙 顶板 底板 迭 拉应力 !#)!< ; !"*;< ; !$*2 代 法 压应力 C "#;$ C "#") C ""#9 各方法比较表 &0(1’( 三维分析法 拉应力 M9# !""# 2$# 压应力 C "### C "*"# C "9)# 单位： LN’ &’()* 弹性地基梁法 拉应力 2*$ !#)*< " !$M$< $ 压应力 C !2"M C !)** C ""9M
汊流向下游， 地形条件极其复杂。为了较为合理地布置建筑 物， 先后和武汉水利电力大学合作完成了南沙河动床概化物 理模型试验， 和华北水利水电学院合作完成了二维水沙模型 试验。根据研究成果， 将建筑物分南、 北两段布置， 在中间江 心洲段以明渠相连接，布置全长 ,!"#3，其中南段倒虹吸长 北段倒虹吸长 +##3， 中间明渠长 "!"#3 。 !###3， 限于篇幅， 本文只对 " 孔方形倒虹吸进行分析， 工况为管 内无水， 管外校核洪水。 倒虹吸洞顶高程 +&7 #3， 管顶填土埋深 外部洪水位 8"7 $$3。 倒虹吸顶板厚 !7 ,3， 底板厚 !7 63， 侧 &3， 孔口尺寸为 87 03 9 87 03 % 宽 9 高 ’ 。 墙及中墙厚 !7 ,3， # 各种计算方法的比较
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入，高产出。美国微软公司每年用于科研的投入为 !# 亿美 元，相当于其年销售收入的 !#: ，过去省厅在保证原有科 技经费逐年增加的同时，每年从农水、基建、工程年修、 防汛抗旱等各类专项资金以及事业费、水费、水资源费中 划出 ": ; $: 用于科研和科技成果推广，这远远不能满足 高新技术产业化的要求，今后除加强资金的统筹安排，重 点支持科技创新外，还应逐步增加对技术创新方面的投 入。同时还应进一步创造条件，支持企业以各种技术经济 使用方式广泛吸纳社会资金，加快企业投资主体的多元 化，同时利用好有关优惠和鼓励政策，形成科技投入产出 的良性机制，促进水利高新技术产业的发展。 % $ ’ 重奖激励。在我国现阶段，科技人才地位不高，脑 体倒挂严重的情况下，建立有效的奖励机制，对于激励广 大科技人才投身到创新活动中去有极其重大的意义。 % , ’ 增加教育投入，国家能否致富，要看教育程度。决 定一个国家前途的最重要因素，是受到良好教育的人，而 不是自然资源。世界各国的发展莫不证明了这一点，我们 在理论和宣传上已将教育提高到立国之本的地位，但仍需 真正增加教育支出占财政支出的比重。 #" $ 保障 高技术产业化需要技术、资金、人才、信息等生产要 切实抓好高新技术人才培养与引进是实现产业化的
% 收稿日期： #&&& ’ !! ’ (& )
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刘树玉 K 南水北调中线工程大型倒虹吸结构设计 结构力学自由变形框架算法 $ 方法 # % 结构力学自由变形框架算法是将倒虹吸管视为坐落在 &" & &" &" # 成果分析
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由表 ! 中的数据可以看出，两种计算方法的结果接
地基上的自由变形框架结构进行计算的。地基反力简化为 线性分布，用材料力学方法求得。 选用迭代计算法，计算时将倒虹吸结构简化为平面框 架，沿倒虹吸管的纵向取 !% 长单宽，按平面问题计算内 力，然后进行配筋和抗裂验算。 !" ! &’()* 弹性地基梁法 + 方法 " , &’()* 是专门为微型计算机开发的通用结构分析程序， 其输入数据文件采用了自由格式。程序提供的图形显示输 出功能、数据检查以及报错功能，以及在计算机上就可以 实现的三维分析、平面分析、振动分析和动力分析等功 能。结构计算时，沿倒虹吸管纵向取 !% 单宽，按平面问题 进行计算。底板弹性链杆的刚度用地基的变形模量乘以每 根弹簧支撑的面积来计算。 如果只进行内力计算而不进行配筋计算，则坐标轴的 方向可以随意设置。在进行配筋计算时，程序会默认 - 轴 铅直向上，故必须在建立坐标系时将 - 轴建在竖轴上 + .， /， - 三轴按照右手法则进行排列 , ，否则配筋结果全错。 !" & &0(1’( 三维有限元分析法 + 方法 $ , &0(1’( + 2$ 版 , 是美国 34567 软件公司研制的微机上使用 的大型通用有限元软件。 结构设计时首先是前处理部分，即画出计算模型和施 加荷载及约束信息。基本数据取值如下：泊松比 ! 8 9 ，混 凝土 :"; ，剪切模量取 !< !* = !# > 8 % 。约束信息中，地基
交叉建筑物之一，就其规模和技术难度来讲，国内外尚属首 位。 目前， 倒虹吸 % 有压涵洞 ’ 的结构计算方法比较多， 有结构 力学迭代法和各种有限元程序， 本文只对有代表性的 $ 种方 法进行研究。 !" # 工程布置及基本资料 南沙河倒虹吸位于河北省邢台市所辖沙河市西北， 交叉 断面以上控制流域面积 !0,#23" 。 总干渠设计流量 $"#3$ 4 5， 加大流量 $6#3 4 5。 南沙河经河道中间江心洲隔开分南北两
单位 + L@・ % , + L@ , 侧墙 顶板 底板 2#! M$! !#"# 2;M M;2 !!)#
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方法 ! 、方法 " 、方法 $ 的比较 由于方法 $ 的计算成果是以应力值的形式输出的，无
法直接和方法 ! 、方法 " 比较，故将方法 ! 、方法 " 的内力 值换算成应力值，与方法 $ 进行比较，见表 " 所示。
D ! E 余尚可，罗尚生，田文铎 < 倒虹吸管 + 第二版 , < 水力电力出版 社， !2)2 D " E 朱以文，韦庆如，顾伯达 < 微机有限元前后处理系统 FGHGI’J 及 其应用，科学技术文献出版社，!22$ D $ E 袁明武等 < 微型机上的结构分析通用程序 &’()* 使用手册 < 北 京大学固体力学教研室、弹塑动力研究室，!2)9 $ 收稿日期：!((()#!)## %
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仍然按弹性地基考虑，按地基和底板一起作用计算。将弹 性链杆的刚度施加到底板和地基接触的各节点上，刚度计 算方法同方法 " 。 & &" # 成果分析 方法 ! 、方法 " 的比较 方法 ! 和方法 " 都是以内力值的方式输出，不需要换 算就可以直接进行比较。成果比较见表 ! 所示。
表# 部位 弯矩 方法 # 、方法 ! 内力及配筋比较表 结构力学迭代法 弯矩 + L@・ % , ))# )"# !!!# 轴力 + L@ , )); MM) !!9# 受拉筋面积 + I%" , !*< M$ "2< *; "2< *; 轴力 受拉筋面积 + I%" , !*< $M "*< ;* "2< *; &’()* 弹性地基梁法
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近，最后的配筋成果都一样。对于底板来讲，弹性地基梁 法考虑了底板与地基土的相互变形的影响，而迭代法将地 基的反力简化成地基反力施加在底板上，对于结构的简化 程度较大；对于整个结构而言，弹性地基梁法考虑了位移 变形的影响，是利用有限单元法计算的，与实际受力情况 更相符合。由于弹性地基梁法对结构本身进行了一定的优 化，所以计算结果偏小，但是不影响最后的配筋成果。 &" &" ! 由表 " 可以看出，各杆的最大拉应力均小于抗裂允 许的强度 + :"; 号混凝土为 !2##?@ 8 %" , ，应力分布规律也 符合实际情况。 + ! , 三维分析中是按三维实体单元建立的模型，综合考 虑了各种力互相传递的影响，进行了优化组合，它的应力 图形面积最小。但是按应力图形配筋的方法尚不成熟，规 范中仅提供了几点参考性的建议，考虑到设计的安全性及 需要模型试验对三维结构进行验证，工作量巨大，此阶段 不予考虑。所以不采用此法。 + " , 传统的内力计算方法 + 方法 ! 、方法 " , 是取单宽按 结构力学或杆系有限元法进行的平面计算，没有充分考虑 接点刚度和结构空间工作性能的影响，不能完全反映实际 受力状况，误差较大。但是对于深埋于地下的倒虹吸结 构，简化成平面问题处理，计算误差也相对较小。从应力 图形分析， &’()* 弹性地基梁法拉应力图形面积介于迭代法 与三维分析法之间；从计算难度来讲，迭代法要比弹性地 基梁法复杂得多。 ’ 结论 通过计算分析可见，利用 &’()* 弹性地基梁有限元法 对倒虹吸进行结构计算是可行的，计算成果的精度满足设 计要求；而且此法比其它方法计算起来方便得多，原始数 据输入简单，不易出错，对于不同的计算方案可以任意进 行组合计算。修改断面尺寸也比较方便，只修改数据文件 即可。所以推荐 &’()* 弹性地基梁法作为倒虹吸结构设计 的计算方法 。根据此计 算方法，对 南沙河倒 虹吸 " 孔 、 * 孔、9 孔方案进行了计算，推荐 * 孔方案作为最后的优选方 案。 需要说明的是，由于新规范《水工混凝土结构设计规 范》 + &A 8 B!2! C 29 , 已经颁布实行，而 &’()* 的配筋是按旧 规范进行的，对应于新规范的结构设计程序尚有待开发。 为解决此问题，经过分析后，提出如下建议：内力计算按 照 &1()* 进行，配筋计算按照新规范，利用手算或自编程序 进行计算。 参考文献