白鹤梁题刻保护工程水平交通廊道结构静力计算分析
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摘要: 白鹤梁题刻原址水下保护工程于2003年2月13日开工建设， 2008年11月主体工程调试运行， 2009年5月18日正式开馆，成为世界上唯一深水下建立的遗址类水下博物馆。水平交通廊为保护工程重要组成部分，建成后常年位于水下，三峡库区蓄水至175m时，水平交通廊道将淹没于水下35m深处，交通廊道将承受极大静水压力，且水平交通廊道为保护体唯一交通设施，需保证廊道绝对安全。
关键词：白鹤梁题刻，水下文物保护，水下廊道，静力计算
中图分类号：C35文献标识码： A
1．概述
白鹤梁题刻原址水下保护工程于2003年2月13日开工建设， 2008年11月主体工程调试运行，2009年5月18日全面建成正式开馆，成为世界上唯一深水下建立的遗址类水下博物馆。
交通廊道是白鹤梁题刻原址水下保护工程重要组成部分，它分上下游两条垂直堤岸布置，连接地面陈列馆出入口门厅及参观廊道形成交通与疏散环路。交通廊道结合自然地形布置，堤坡段为坡形交通廊道，江底段为水平交通廊道。水平交通廊道一端与坡型交通廊道相接，另一端通过予埋钢套管与参观廊道相连，每11.5m（12m）设变形缝一道。上、下游廊道均采用箱形截面，正截面外轮廓尺寸5.0×5.8m（宽×高），正截面内空净尺寸3.4×4.2m（宽×高），侧墙、顶板、底板厚度均为0.8m，底板内侧腋角0.3×0.3m。水平交通廊道平面布置如图1所示，水平交通廊道横断面如图2所示。
2．计算模型
（1）横断面计算：廊道纵向取1m，按超静定结构的矩形框架计算内力，顶、底板及侧墙均按偏心受压构件配置钢筋，按弹性地基上平面应变状态的闭合框架计算。
（2）截面尺寸及边界条件：廊道顶、底板厚度均为0.80m，故廊道横断面计算
宽度Lp取4.2m；高度hp取5.0m，计算模型如图3所示。
3．设计荷载
（1）廊道自重q1=368.0kN/m。
（2）廊道内荷载：考虑1.4m宽双人步梯荷载，0.9m宽单人自动扶梯荷载，循环水管、排水泵、排水管等设备管道荷载，吊顶及其上送、排风管荷载，展廊橱窗荷载和人行活荷载，廊道内荷载总和q2=49.15kN/m。
（3）水压力：廊道顶板处q31=335.5kN/m；廊道底板处q32=392.5kN/m。
（4）江水浮托力：按排开同体积的水重，作用于底板底部q4=290.0kN/m。
（5）泥沙压力+防锚抛石压力：q5=66.4kN/m2。
（6）两侧覆土压力：廊道顶板处q61=26.5kN/m2，廊道底板处q62=43.17kN/m2。
4．计算工况
（1）工况一：施工阶段（无水），主要考虑廊道自重及其内荷载+施工荷载。
（2）工况二：运营阶段（无泥沙压力），主要考虑廊道自重及其内荷重+水压力+两侧覆土压力。
（3）工况三：运营阶段（有泥沙压力）, 主要考虑廊道自重及其内荷重+水压力（高水位173.9m）+泥沙压力（泥沙淤积高程148.0m）+覆土压力+沉船荷载（50kN/m2）。
5．水平交通廊道结构计算
分析各工况廊道受力情况，工况三为廊道强度设计的最不利工况，水平交通廊道按工况三的受力条件进行结构受力分析。
1）计算简图：
水平交通廊道结构断面受力简化为单孔箱涵式模型，具体如图4示，模型截面尺寸5m×5.8m（B×H），模型底部搁置于支撑地面，受基底反力，侧壁承受，顶部承受泥沙淤积、静水压力及沉船荷载。
图中p=r2t+q5+q31=469.65kN/m2
ep1=q31+q61=360.92kN/m2
ep2=q32+q62=433.08kN/m2
2）计算方法
采用地下框架结构模型，按左手直角坐标系，采用初参数分析弹性地基梁与位移法建立箱涵杆件转角位移方程，推导水平交通廊道箱涵式模型受水压力作用下的内力计算公式。
3）节点弯矩及杆件轴向力计算
将图4中受力分解为3种简单力学模型组合：侧墙受三角形荷载＋均布荷载，顶部及底板受竖向均布荷载。水平交通廊道另计入温度影响作用，降温按t=20℃计。
具体如图5所示：
a：三角荷载 b:水平均布均载 c:竖向均载 温度荷载
图5 受力分解图
分解后的受力模型分别按水平交通廊道箱涵式模型受水压力作用下的内力计算公式，计算结构内力。具体分解应力计算结果见表1（标准值），各构件内力汇总见表2（设计值）：
表1 分解应力计算结果明细表
应力
荷载种类 M（kN•m） N（kN）
A B C D 1 2 3 4
恒载 a类 -310.8 -310.8 -310.8 -310.8 0 0 974.6 974.6
b类 -381.3 -381.3 875.3 118.3 0 0
C类 -42.1 -34.2 -34.2 -42.1 56.7 118.3
合计 -121.0 -672.4 -672.3 -680.4 932.0 993.6 836.3 836.3
温度影响力 -734.2 -726.3 -734.2
表2 内力汇总表
内力
构件 Nj
(kN) Mj
(kN・m) Qj
(kN) Nj
(kN) Mj
(kN) Qj
(kN) Nj
(kN) Mj
(kN・m) Qj
(kN)
顶板
（B-C） 左支座（B） 跨中（B-C） 右支座（C）
1118.4 -1041.0 1169.6 1118.4 342.0 0 1118.4 -1041.0 -1169.6
底板
（A-D） 左支座（A） 跨中（A-D） 右支座（D）
1192.4 -1050.5 1169.6 1192.4 332.6 0 1192.4 -1050.5 -1169.6
左侧墙
（B-A） 上支座（B） 跨中（B-A） 下支座（A）
1169.6 -1041.0 1118.4 1169.6 437.3 -15.6 1169.6 -1050. -1192.4
右侧墙
（C-D） 上支座（C） 跨中（C-D） 下支座（D）
1169.6 -1041.0 1118.4 1169.6 437.3 -15.6 1169.6 -1050.5 -1192.4
6．结语
计算分析表明，内力极值通常出现在水平交通廊道顶板、侧墙及底板相交直角处与杆件跨中部位，一般为内力计算控制断面，特别是侧墙跨中部位外侧与水、土压力荷载作用下的同向弯矩相叠加而加大结构内力。因此，为增强箱涵结点强度与刚度，消除或减小转角处的应力集中，工程实践中采取设置贴角、配设构造钢筋及加强侧墙跨中部位配筋等工程结构措施是必要的。
参考文献
【1】建筑结构静力计算手册编写组。建筑结构静力计算手册【M】。北京：中国建筑工业出版社，1998.
【2】熊启钧。取水输水建筑物丛书－涵洞【M】。北京：中国水利水电出版社。2006.
【3】龙驭球，包世华．结构力学教程【M】.北京：高等教育出社。1988．
作者简介：周圣(1982～)，男，汉族，本科学历，长江勘测规划设计研究有限责任公司，工程师，从事水利工程设计工作。