墩、 排架 。槽身横断面有 Ｕ形 （ 或矩形 ）多箱式等 ， ， 结构可很方
便地采用有限元法计算 ， 壳体单元可用来模拟 薄壁槽身和薄壁
墩， 梁单 元用来模拟拉杆 、 支撑 刚架 等 。 多箱式渡槽 是一种新型的渡槽 结构形式 ， 在南水北调工程
中应用较广 。比如沼河渡槽和漕河 渡槽都是多箱结 构体 系 ， 这 种渡槽 的侧墙既是承重构件又是挡水构件 ， 有很大 的刚度和很
ＬＩＹｕ ｃ ｕ １ －ｈ ｎ ．ＬＩＪｎ ｈ ａ ｉ － ｕ ２
（．Ｉｓｉ ｔ ｆ ｔｕｔｒｌ ｎ ｉｅｒ ｇａ ｄＤｉ ｓｅ ｏ ｔ ｌ ｆ ｎ ｉ ｒｉ ，Ｓ ａ ｇ ａ ２０ ９ ； １ ｎｔ ｕｅｏ ｒｃｕａ Ｅ ｇｎ ｅｉ ｎ ｓ ｔｒ ｎｒ Ｎｉ ｖ ｓ ｙ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０ ２ ｔ Ｓ ｎ ａ Ｃ ｏ ｏ Ｔｏ Ｕｎ ｅ ｔ
中国农村 水利 水电 ・ ０ ６年第 ７ ２０ 期
文章 编 号 ：０ ７２ ８ （０ ６ ０ ０ ７０ １ ０ —２４ ２ ０ ）７０ ５ —４
５ ７
关于大型渡槽结构 硇几个问 设计
李遇春 李锦 华 ，
（． １ 同济 大学 结构工程与防灾研究所 ， 上海 ２０ ９ ；． ０ ０ ２ ２河南省驻 马店地 区水利 区， 河南 驻马店 ４ ３０ ） ６ ０ ０
水 的质量 与结 构本 身 的质量 相 当， 或甚 至大 于结 构本 身 的质
量， 当加入水 体的质量后 ， 结构 的动 力特性 就会发 生很大 的变
化， 实际上已不可 能将流体 频率 调节得 和结构 频率 一致 ， 因为 结 构频 率已发生 了很大改变 。
述了一些 相应 的设计计算方 法 ， 对可能存在 的结构问题给 予了
预测与讨论 ， 供渡槽 结构设计者参考 。
１ 关于水体 的考虑
渡槽不 同于公路 和铁路桥 ， 要传 送大量 的水 ， 对于大 型渡
槽而言 ， 其传送 的水 的重量 与渡槽结 构本 身 的重量相 当 ， 甚至
１３ 水的非 线性 晃动效 应 ．
在强地震动激 励下 ， 液体 表面 的晃动幅度较 大 ， 因此精确 分析时 ， 要考虑液 体 晃动 的非线 性 。研 究表 明［ ２ 叩流体在 强震 作用下的线性和非线性 时程反应在 整个 时域上是很 不相 同的 ， 但它们的峰值反 应（ 对结构作用的峰值 ） 却很接 近。强震 时， 当
关于大型渡槽 结构设计的几个问题
李遇春
李锦华
力计算方法［ １ ， ８ 对大型渡槽 的抗震分析 问题研究给予 了较 多 ￣５ ｊ
的关 注口 ， 渡槽抗风问题也有 一些初 步研究＿ ］ ３ 。本 文从 ” 工程设计 实际出发 ， 列举 了一 些大型 渡槽 的结构设 计 问题 ，送 的 其
摘
要： 大型渡槽是 中国南水北调工程 中的关键性 水工建 筑物 ， 其输 水流量 比 目前世 界上 已建渡 槽的流 量要 大得
多， 由此 产生了一 些新 的渡槽结构以满足 巨大的输水流量。 由于 目前没 有大型渡槽 的结构设计 规 范， 一些 结构问题 ， 如
结构抗震 、 抗风设计 、 力滞 、 剪 温度应力等 ， 困扰着结构工程 师。通过 对 大型渡槽 结构设计 中几 个问题的 分析 ， 步 阐 还 初
述 了大 型 渡 槽 结 构 设 计 的若 干理 论 和 方 法 ， 对 一 些 可 能 的 结 构 问 题 进 行 了预 测 和 讨 论 。 并 关 键 词 ： 水 北调 ； 南 大型 渡 槽 ； 构 设 计 结
中图分类号 ： ６ ２ ＴＶ ７
文献标识码 ： Ａ
Ｓ ｖ ｒ ｌＰｒ ｂｌｍｓ Ｒｅａ ｅ ｏ Ｌａ ｇ － ｉｅ ｕ ｄｕ ｔＳ ｒ ｃ ｕ ｅＤｅ ｉ ｎ ｅ ｅ ａ ｏ ｅ ｌ ｔｄ ｔ ｒ ｅ Ｓ ｚ ｄ Ａｑ ｅ ｃ ｔ ｕ ｔ ｒ ｓｇ
２ Ｗ ａ ｅ ｏ ｓ ｒ ａ ｃ ｒ ａ ｆ ｕ ｄ ａ ｒ ｆ ｃ ｕ ｅ ． ｔ ｒ Ｃ ｎ ｅ ｖ ｎ ｙ Ｂｕ ｅ ｕ ｏ Ｚｈ ｍａ ｉｎ Ｐ ｅ ｅ ｔ ｒ ，Ｚｈ ｍａ ｉ ｎ ４ ３ ０ ｕ ｄ ａ ６ ０ ０，Ｈｅ ａ ｏ ｉ ｃ ） ｎ ｎ Ｐｒ ｖ ｎ ｅ
ｋ 刁河渡槽ｌ 设计 流量 为 ６０ｍ。ｓ加大 流量达 ７ ０ｍ ｓ ｍ； ＿ ２ ］ １ ， ２ ３ ， 单跨跨度为 ２ ￣３ 这些渡槽均 为世界 上规模最 大的渡槽 。 ５ ５ｍ， 大型渡槽输水流量 巨大 ， 给渡 槽结 构提 出了更新 更高 的要求 ，
式 （ 特别是一些新 型的结构 形式 ）的特 殊性 ，设 计 中容 易对
由此 产生 了一些新 的结 构形式 及设计 分 析方法 ，对 现有 的结 构设计 理论 提出了新 的挑战 ，产 生 的许 多结 构问题需 要进行 深入的理论与实验研究 。我 国渡槽 的数 量 与规模 已处于世 界 前列 ，由于缺少相应的基础 研究 ，有 关大 型渡槽 的设 计规 范 （ 或设计指南 ）迟迟不能面世 ，因此 ，现有渡槽工 程设计 只能 借鉴其他相关的结构设 计规 范或规 程 。由于大型渡 槽结构 形
元 （ 型） 对于实 际 的工程 问题 ， 助 ＡＮ ＹＳ可 成功 地用 于 模 ， 借 Ｓ 大型渡槽 的抗震 （ 力） 动 分析［，］当然这个流体模型也可不 加 １４ ， ９２
作用下动水压力对结构的作用和影响 ， 因此在结构分析 和设计
中， 必须考虑水体与结构相互作用 的影 响。
１ １ 水体 分析模 型 ．
在流体一结构系统 中建立水体分析模型是结 构分析 ， 尤其 是动力分析 （ 抗震 、 抗风 分析 ） 中的基本 问题 ， 分析 中必 须考虑
２ 渡槽结构类型及计算模型
常见 的大型渡 槽 承重 结构 通常 为拱 桁 架、 薄壁 墩或 重力
流体和结构 的动力耦合作 用。Ｈｏ ｓｅ 于 １ ５ ｕｎ ｛ ９７年提 出 了一
个简单 的动水模 型 （ ｕｎ ｒ 型） 这 个模 型 简洁实 用 ， Ｈｏ ｓｅ 模 ， 被广 泛应用于流体动力计算之 中， 但此模 型仅研究 了水 在一个方 向 上 的动 力 作 用 问题 ， 于 复 杂 渡 槽 结 构 三维 动 力 分 析 ， 对 用 Ｈｏ ｓｅ 模型很难解 决 （ ｕ ｎｒ 例如 竖 向抗 震 分析 ） 。一个 基 于流体 位移有 限元＿ ３ 的方法适合于求解复 杂的流 一固耦 合动力 问 题， 目前通用 的大型有 限元程序 ＡＮ ＹＳ拥 有这样一个 流体单 Ｓ
Ｋｅ ｏ￣ ：Ｓ ｕｈｔ Ｎｏｔ ｔｒ ａ ｓｅ ｒｊｃ；ａｇ－ｉ ｄａｕｄ ｃ；ｓｒｃｕａ ｄ ｓ ｎ ｙｗ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒｈＷａｅ ｎ ｆｒ ｏｅｔ ｌｒｅｓｚ ｑ ｅ ｕｔ ｔｕｔｒｌ ｅｉ Ｔｒ Ｐ ｅ ｇ
０ 引 言
世界上最大 的水利工程——南水北调 工程 已正式开工 ， 大
ｕ ｄ ｃ ｔ ｕ ｔ ｒ ｒ ｅ ｏ ｓ ｔ ｆ ｈ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ｏ ａ ｇ ｉｃ ａ ｇ ｏ ｖ ｙ ｎ ｅ Ｈｏ ｖ ｒ ｅ ｅ ａ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌｐ ｏ ｌｍｓ ｉ ｃｕ ｉ ｇ ｅ ｕ ｔｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｉ ｏ ｄ ｒ ｔ ａ ｉ ｙ ｔ ｅ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｆ ｌｒ ｅ ｄ ｓ ｈ ｒ ｅ ｃ ｎ ｅ ａ ｃ ． ｎ ｓ ｗｅ ｅ ，ｓ ｖ ｒ ｌｓ ｒ ｃ ｕ ａ ｒ ｂ ｅ ｎ ｌｄ ｎ ｓｒ ｃ ｕ ａ ａ ｔ ｑ ａ ｅ ｒ ｓｓ ａ ｃ ， ｗｉ ｄ ｐ ｏ ｆ ｄ ｓｇ ， ｓ ｅ ｒｎ ｏ ｃ ｔ ａ ｉ ｎ ｎ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｓｒ ｓ ｌ ｖ ａ ｉｎ ｓ ｉ ｏ ｈ ｒ ｔ ｅ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌｅ ｒｈ ｕ ｋ ｅ ｉｔ ｎ ｅ ｎ ｒ ｏ ｅ ｉ ｎ ｈ ａ ｉ ｇ ｆ ｒ ｅ ｍｉｉ ｔ ，ａ ｄ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｔ ｅ ｓ ａ ｌ ｉ ｔ ｔ ｌｂ ｔ ｅ ｈ ｇ ｏ ｅ ｏ ｌ ｓｒ ｃ ｕ ａ ｎ ｉ ｅ ｒ ．Ｔｈ ｏ ｇ ｎ ｌ ｓｓ ｏ ｈ ｒ ｂ ｅ ｅａ ｅ ｏ ｌ ｒ ｅ ｓｚ ｄ ａ ｕ ｄ ｃ ｔ ｕ ｔ ｒ ｅ ｉ ｎ，ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓａ ｄ ｍ ｅｈ ｄ ｌ — ｔ ｕ ｔ ｒ ｌｅ ｇ ｎ ｅ ｓ ｒ ｕ ｈ ａ ａｙ ｉ ｆｔ ｅ ｐ ｏ ｌｍｓ ｒ ｌ ｔ ｄ ｔ ａ ｇ －ｉｅ ｑ ｅ ｕ ｔｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｄ ｓ ｇ ｈ ｈ ｏ ｉ ｎ ｔ ｏ ｏｏ ｅ ｇ ｅ ｏ ｈ ｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｅ ｓ ｚ ｄ ａ ｕ ｄ ｃ ｒ ｘ ａ ｉ ｔｄ，ａ ｄ ｓ ｖ ｒ ｌｐ ｓ ｉ ｌ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌｐ ｏ ｌｍｓ ａ ｅ ｐ ｅ ｉｔ ｄ ａ ｄ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｉｓｆ ｒｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｌ ｇ － ｉｅ ｑ ｅ ｕ ｔ ｅ ｅ ｐ ｔ ｅ ａ ａ ａ ｎ ｅ ｅ ａ ｏ ｓｂ ｅ ｓ ｒ ｃｕ ａ ｒ ｂ ｅ ｒ ｒ ｄ ｃ ｅ ｎ ｉｃ ｓ ｅ ．
型渡槽是南水北调工程 中跨越河川 、 沟壑和交 通干线 的主要 水 工建筑物 ， 是极 为重要 的生命 线工程 。仅南水 北调 中线 总干渠 上将要修建 的大型 （ 或特大型） 渡槽 有近 ５ Ｏ座 ， 如 ： 黄工 程 例 穿 牛 Ｖ峪渡槽＿ 的设 计流量 为 ５０ｍ。ｓ 主跨 ５ ． 全长 ９ ３ Ｉ １ ］ ０ ／ ， ０ ２ｍ， ．
ｄｓｈｒｅｏ ｈ ｒｊｃ ｃ ｉｇｒ ｈ ｎｔａ ｆ ｈ ｕ ｄ ｃｓ ｏ ｓｒｃｅ ｅ ｒ ，ｔｓ ｅｅｓｒ ｅｉ ｎｗ ｋｎ ｆ ｑ ｉ ａｇ ｆ ｅｐｏｅｔｓ ｃ ｔ ｉｍｕｈｂｇ ｅ ａ ｈｔ ｅ ｑ ｅｕｔ ｎｔｕ ｔ ｉ ｔ ｌ ｉｉｎ ｃｓａｙｔ ｄ ｓ ｎａ ｅ ｉｄｏ — ｔ ｏｔ ａ ｃ ｄ ｎ ｈ ｗｏ ｄ ｏ ｇ ａ
某些重要 的问题考虑不周 或估计 不 足 ，因此 ，开展对 大 型渡 槽结构 问题研究具有十分重要的现实意义 。 有文献曾报道过 印度的大型渡槽 ， 但相关 的设计 问题 未见 报道 ， 国曾修建及加 固过一 些输水管 线 （ 美 渡槽 ） 研究 了渡槽 ， 管线的抗震计算和设计 ［ ７， ａ ］这些输水管线 与中 国的大型 渡槽 － 在结构形式上有很大 的差别 ， 其流量也 远小于南水北调 中的大