斜拉式渡槽应用设想

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一、前言
    斜拉式大桥以其大跨距、结构造型合理、且经济美观、施工快而早已被世界各国广泛采用，在我国近几年风靡大江南北，已建成或在建的斜拉式大桥无论是跨海或跨江，其规模之大、造型之精美，在世界也是屈指可数的。早年建成的扬浦大桥及刚建成的珠海跨海大桥，或正在建设的长江二桥，设计中的海南跨海大桥，这充分反映出斜拉式大桥的技术已走向成熟，并在我国广泛推广应用。
    而在水利工程中，对于这种新技术运用较少，经验不多，不成熟，尤其在渡槽设计中，无论从结构的相似性来讲，桥和渡槽都有共性，可以采用这一新技术。目前我地区在农田水利建设中设计的渡槽型式单一，为梁式与拱式渡槽。
    二、常见渡槽型式：
    1、梁式渡槽
    考虑控制槽身裂缝及宽度，而限制了单跨，如已建成的拜城木扎提河跨河渡槽为我地区建成的最大渡槽，渡槽总长130m，设计流量Q=18m3/s，为双孔箱涵，单孔1.7×2m，采用等跨双悬臂结构，单跨26m。由于河床地质条件较好，承载能力大，河道冲刷严重，最大冲刷设计深度为6m，故采用井柱基础，井柱间距为13m。基础部分的工程量占整个槽身工程量的68%，且基础施工较难一度影响工程进展。
    在可研阶段，曾设想采用斜拉式渡槽，并采用单塔，一跨即可跨越大河，而且主塔基础部分施工可避免主河床免受洪水威胁，减少了基础部分的工程造价，缩短了基础部分施工工期，但由于当时的技术还不成熟，没有采用。
    2、拱式渡槽
    虽能用于河谷深而高度大的渡槽，但随着跨度的增大，拱脚的推力也大，而且施工预制吊装也困难，且施工加载程序复杂，跨度一般控制在25-30m，施工工期长，且要求地基条件较好，目前我地区建成的乌什县喀拉玉尔滚跨河渡槽采用下承式拱型桁架渡槽，渡槽总长316m，设计流量Q=3.0m3/s，单跨21.10m基础为井柱桩，井柱间距为21.10m，无论梁式或拱式渡槽跨度小，基础部分投资较大。
    3、斜拉渡槽
    斜拉渡槽与斜拉桥一样，具有跨越能力大，一般情况下渡槽的跨度可达百米，且斜拉索的水平力对槽身纵向受力是十分有利的，从理论上讲，如将拉索内力调整好后，最后纵向合力在跨中合龙，跨中基本上不产生自重拉力，槽身主要承受轴向压力与弯矩属压弯构件，对槽身纵向配筋与抗裂是十分有利的。槽身主梁由于有拉索支承，尤其是密索时跨径较小，当拉索的刚度无限大，在支承点处无变拉，则变为小跨径的刚性支承连续梁式简支梁，减少了梁的弯距。因此槽高可以减小，从而节省材料，而槽身的水平推力，使槽身的分缝处理较易，不易产生漏水，解决了渡槽分缝处理的难点。另外，在各种砼渡槽型式中，当前可以认为斜拉渡槽是有效利用材料特性最合理的结构，使砼塔架、槽墩成为受压构件，钢筋砼主梁成为偏心受压构件，高强度钢材成为拉索而受拉构件，充分发挥各自的功能，这样所需的材料数量少，经济效益大。
    三、斜拉渡槽的设计
    斜拉渡槽与斜拉桥结构相似，一般由塔桥、槽墩斜拉索（简称拉索）及槽身四部分组成，现就各部分造型设计简述如下：
    1、拉索的布置
    斜拉索纵向布置方式，斜拉渡槽与斜拉桥一样可分为下列几种基本型式。
    （1）辐射型
    所有拉索都引向塔架顶部。拉索对主梁（槽身）的夹角最大，有利于承受主梁竖向荷载，因此拉索用的钢材最小。但许多根拉索引向塔架顶部，塔顶内的拉索支承或鞍座会非常拥挤，且须传递相当大的竖向力，造成细部设计复杂化，且对塔架纵向稳定不利。
    （2）竖琴型
    各条拉索在不同高度处连于塔架上，并相互平行。拉索对主梁的夹角较小，承受主梁竖向荷载不如辐射型有利，因此，拉索的用钢量稍多。优点是：位于塔端部锚固点分散，应力不会太集中，细部构造设计与塔架的纵向稳定比较有利；塔架上各拉索长度相差较大，索的自振频率也相差大，对抗震、抗风稳定性比较有利，这种拉索体系造型美观。
    2、塔架的型式
    塔架（又称索塔）的型式可分为单面索塔和双面索塔两大类。由于水工建筑物断面小，一般均采用单面索塔。
    （1）单面索塔
    单面索塔有柱塔、A形塔，可以利用槽身顶板中央的锚固块来固定斜拉索。由于是单索塔，特别是独柱塔，减少斜拉索及塔架工程费用。
    双面索塔为平行门形塔，当平行门形塔无顶横梁时变为双柱形塔；多横梁时变为框架形塔。平行双面塔的共同特点是斜拉索布置在纵向两个竖直平面内。
    3、槽墩
    槽墩可以是实体重力式，也可以是空心重力式或框架结构，下接基础底板，与一般渡槽墩大体相同，此处就不详述了。
    4、斜拉渡槽槽身的断面型式
    斜拉渡槽主梁（即槽身）的横断面型式，可以设想为各种箱形结构，分述于后。
    （1）矩形箱槽身
    分单箱双面索，矩形箱槽身整体刚度较大，纵向挠度较小。槽身顶部施工比较简单，但矩形箱槽身的迎风面与背风面都是竖直的平面，对风的阻力大，大跨径的抗风稳定性不利。横向受力条件也不够理想。
    （2）U型箱槽身
    这种断面形式预制施工较复杂，但横向受力条件比较有利。由于迎风面的大部分成园弧面，对风的阻力减小，抗风稳定性较为有利。
    （3）园管形槽身
    分为单管单面索与单管双面索，由于管身全部为园弧面，横向受力条件与抗风稳定性都是最有利的，但施工较复杂。这种槽身可以用钢筋砼或预应力砼作材料，对小管径的也可以用钢板作为钢管。水流流态可以是有压的，也可以是无压的。它适用于中、小流量的大、中跨径的斜拉渡槽。
    槽身断面深宽比的考虑，从受力观点看，窄深一些，对纵向受力有利，纵向挠度也小一些，而对横向受力及抗风稳定性不利，则恰恰相反。应根据斜拉渡槽主跨径大小、斜拉索的间距、流量大小，塔架、主梁及槽墩的连结方式作综合考虑来决定。
    斜拉索下端的锚头一般锚固在主梁的锚块（又称牛腿）内。为了锚块不起阻水作用，锚块不能布置在过水断面内，而应设置在箱壁外侧或将锚头直接锚固在两侧槽壁底部。对于单面索也可以锚固在槽身顶板中部。布置锚头时争取使斜拉索合力的纵向分量与主梁的形心轴重合，以避免由于轴向力的偏离而产生附加的弯矩。
    而斜拉渡槽的各设计参数可根据具体地形、跨度及流量大小进行结构造形，也可参考斜拉桥有关方面的设计经验。
    结语
    本文作为对斜拉渡槽设计的一种初步认识提出来，和对此问题有兴趣的同仁共同探讨，难免有疏漏以至偏颇之处，只要能引起大家的兴趣，发表更多见解，提出批评指正，就达到了目的。