【52监测网】第138期 引江济淮渡槽水桥设计关键技术
 52监测网专家报告分享-第138期 《引江济淮渡槽水桥设计关键技术》 吴志刚 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 目录 一、引言 二、渡槽水桥总体设计 三、基于荷载特性的结构选型 四、考虑流固耦合的结构动力特性 五、大变位止水伸缩缝设计及试验 六、水工物理模型试验研究 七、结语 内容介绍 一、引言
古罗马遗迹：西班牙塞哥维亚渡槽，建于公元53年，渡槽全长813米，分上下两层，由148个拱组成，高出地面30.25米，气势非凡。建筑材料为花岗岩，两千年来一直运作良好，为塞哥维亚供水渠道。
拱形渡槽：从古至今，国内外输水渡槽多为拱形渡槽，材料多为石材或者钢筋混凝土。
现代渡槽：流量小的现代渡槽，结构形式出现了多样化，同时，国外出现了中小跨度的通航渡槽，钢结构开始应用。
引江济淮渡槽水桥：在中国合肥，引江济淮工程中，建造了世界最大跨度、国内首创的通航钢结构渡槽水桥。 二、渡槽水桥总体设计
引江济淮工程：沟通长江、淮河两大水系，润泽安徽、惠及河南、造福淮河、辐射长江，保障供水、发展航运、改善水环境，是安徽省基础设施建设“一号工程”,II级航道，通行2000吨船舶。 淠河总干渠：自大别山三大水库, 向合肥城市的提供灌溉、工商业用水、生活饮用水, IV级航道，通行100吨船舶。 渡槽水桥：解决两大不同水系、高差36m的通水、通航的立体交叉工程。
项目奇观：水立交 –– 河上有河，桥上通水；船立交 –– 上下行船，桥上通船。 技术特点及难点： ◇ 荷载巨大––需承受4万吨水重（约2万辆小汽车，或135个公路车道，或25线铁路自重）及变幅。 ◇ 上下通航––桥上、下通航，桥下103.8m范围内不得设置桥墩、跨度110m，防船撞击问题突出。 ◇ 结构复杂––需充分考虑水体、地震、温度、船撞、风、冻胀力等荷载的综合作用。 ◇ 环保防腐––桥上为合肥市居民饮用水，环保要求高，施工及养护期间不得中断供水。 ◇ 止水防渗––伸缩缝需同时满足变形、止水需求，桥梁两端与陆地河渠连接防渗处理难度大。 ◇ 技术空白––为水利、交通两大行业的交叉学科，国内首次采用，无案例参考，技术空白。
总体平面设计-截弯取直：施工过程中，为保证淠河总干渠向合肥市供水不中断，采用移位改建，截弯取直的总体平面方案。
总体平面设计-各构筑物设置 ➢ 钢渡槽：68+110+68=246m三跨桁架式梁拱组合体系渡槽。 ➢ 混凝土渡槽：两侧各4x13=52m混凝土渡槽 ➢ 闸室：两侧各20m闸室槽身、门库段。 ➢ 分流岛：两侧各40m长三角形分流岛、渐变段。 ➢ 进出口明渠：上游引渠长467.9m，下游引渠长497m ➢ 配套交通桥：65+110+65=240m连续刚构
总体立面设计-深开挖：交叉位置为（长）江淮（河）分水岭，地势较高，地面高程约50m，引江济淮河底高程13.4m，最大开挖深度约36m；航道底宽60m，石质边坡坡率1:2，土质边坡坡率1:3 ，河道上口宽280m。
总体立面设计-跨径布置：引江济淮的通航净空要求103.8x10m，主跨跨度采用110m，边跨选用68m。同时，为满足淠河总干渠的抗渗要求，在渡槽两侧各设置了4x13m =52m长的混凝土槽型梁。 总体横断面设计-分幅布置：满足通航净宽，采用2x16m分幅布置，方便检修，提高了横向开口断面侧向稳定系数。
总体施工方案-履带吊槽内安装
三、基于荷载特性的结构选型 水荷载：需承受4万吨水重（约2万辆小汽车，或135个公路车道，或25线铁路自重）及变幅(0~4万吨)。
◼ 公路车道荷载：4万吨 ≈ 135个车道荷载 ◼ 高速铁路荷载：4万吨 ≈ 25线高速铁路荷载 ◼ 私家车：4万吨 ≈ 20000辆 ≈ 延绵100公里
通常情况下，桥梁承受的荷载是其自重的0.2倍，而本桥则是将近2倍，相差一个数量级，属于超级荷载。 结构类型选择-适应水荷载特点：索辅体系结构、预应力结构，均不能适应超级变幅荷载的特点。
结构类型选择-适应水荷载特点：非索辅体系结构，如梁、拱，均能适应超级变幅荷载特点，采用拱结构能显著提高结构刚度。
◼ 桁架式梁拱组合渡槽 ➢ 钢结构渡槽由外侧桁架和内侧水槽组成，其中外侧桁架可分为：主桁、横梁和连接系，内侧水槽可分为侧壁和底板。
➢ 渡槽钢结构主体纵向受力结构，采用上平下拱，上开下合、外桁内波的桁架式梁拱组合体系，跨径布置为（68+110+68）m。单幅横向设置两片拱式主桁，桁架中心距为20.8m。渡槽的水槽放置于两片主桁之间。 ➢ 上平下拱：净空不控制，很好的适应河渠地形，拱结构刚度大，造型美观； ➢ 上开下合：通航要求，水槽上必须为开口断面，不能设置横撑。在水荷载作用下，开口侧壁外倾与支点下缘M横联内撑相互平衡。
◼ 桁架与水槽的结合方式：结合与分离比较
◼ 桁架与水槽的结合方式：槽桁结合-波折与平钢板水槽比较
◼ 水槽：复合不锈钢波折水槽 优点： （1）让可变形的波纹钢板来代替直钢板，释放掉轴力和弯矩，充分发挥桁拱的作用。
（2）提高板件面外刚度，避免设置较多的加劲肋。
（3）温差：较好的释放了水凉板热的较大温差对桥梁结构的不利影响。
（4）槽壁船撞：波板的凹凸加劲作用，提高了槽壁的抗船舶撞击能力，同时波板的变形又可以对撞击进行一定的缓冲。
（5）散水碎浪：波板的凹凸对水流起到了散水碎浪作用，改变了水流对桥体的晃动效应。 （6）环保、耐久性：水槽四周采用不锈钢复合板316L+Q345qD，解决了饮用水环保、耐久性等突出问题。 ◼ 结构选型比较内容小结
四、考虑流固耦合的结构动力特性 渡槽不同于公路桥或者铁路桥，需要传送的水体荷载在总体荷载中所占的比例远大于公路桥或铁路桥，一般公路桥铁路桥活载均小于恒载，但渡槽桥不同，其传送的水体荷载大于甚至几倍于渡槽本身。大量的水体和渡槽结构本身在静力和动力方面都有着相互的影响，因此，必须要考虑流固耦合效应。 计算模型：Housner动水流固耦合模型，将液体的晃动，等效为固接质量块及通过弹簧与槽壁相连的质量块，从而模拟液体对渡槽的作用。
计算工况： 工况1：渡槽内无水； 工况2：渡槽内水高度为校核高度的一半（2.525m）； 工况3：渡槽内水高度为校核高度（5.05m）。
结论： （1）流固耦合效应在纵向和竖直方向上并不显著，而在横向动力特性影响显著。 （2）随着充水量的增加，结构频率出现下降趋势。 水体大幅可变荷载下结构响应分析研究
结论： （1）由于开闸时水流振动、冲击等的影响，结构挠度略大于水流恒定时的结构挠度，仍在安全范围之内。 （2）开闸高度大于2m后，渡槽的结构响应对开闸高度敏感性极低。 地震作用下水体偏载对结构的影响及动水压力分析
结论： （1）在考虑地震作用下水体偏载后，水体偏载和地震作用下的流固耦合对结构纵向、竖向影响很小； （2）横桥向槽壁位移从4.292mm增长到6.462mm，考虑水体偏载之后对侧向结构响应有较为明显的影响。 五、大变位止水伸缩缝设计及试验 针对本项目的特点，设计了深水下大位移伸缩缝。在梳齿板上方安置波纹型止水橡胶带，水体重量和压强通过止水橡胶带转移到梳齿板上。当伸缩缝有位移时，梳齿板有开合运动，止水橡胶带随着发生形变。
➢ 承载能力强，伸缩位移量大。梳齿板、压板等受力构件均用高强度钢材制造，能根据实际工作水深调整钢板厚度以达到足够的承载能力；同时，橡胶带中部为连续波浪形结构，可通过增加波浪形结构的数目以达到所需要的伸缩位移量，伸缩能力强，满足目前水下伸缩装置需要的大位移量、大承载力的实际需求。 ➢ 水密效果优良。通过压板与支承平面间的异型腔将橡胶带两翼的异型结构挤压变形固定，固定处橡胶带与支承平面之间保持稳定压力，阻止水从接触面通过，从而实现结构密水。 ➢ 方便检修和更换。梳齿板和压板等受力构件均为单元式构造设计安装，容易适应各种渡槽或梁体断面轮廓，更换方便。 六、水工物理模型试验研究 研究内容： ◆渡槽槽端分汊段紊流及其对船舶航行影响分析； ◆渡槽内船舶航行于槽内及槽端等工况下水力特性等研究； ◆波折钢腹板侧壁对过流能力影响分析； ◆渡槽水力特性试验。
模型试验：1:40
结论： （1）渡槽水流平顺，无明显的回流、漩涡等不良流态； （2）自航船模在模型中进出渡槽时较为平稳，无明显的碰撞、擦底等现象发生； （3）波折腹板对水流条件的影响，近壁区域水流紊动较平面腹板时有所增加，过流能力较平面腹板时减小3%左右。
结语：5月1日上午10时38分，随着淠河总干渠水缓缓流进引江济淮淠河总干渠渡槽，标志着世界最大跨度通水通航钢结构渡槽——引江济淮淠河总干渠渡槽充水试验成功，正式通水通航。
《引江济淮渡槽水桥设计关键技术》 吴志刚 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 注：内容源自吴志刚先生在IBTC桥隧大会上的报告内容分享，转载自IBTC桥隧大会，本文仅供个人研学交流，版权归原作者所有 |
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