本發明涉及水利工程中的渡槽設計建造，具體涉及一種u形渡槽及其環向預應力鋼絞線的布置方法和相關產品。

背景技術：

1、渡槽是引調水工程中應用最廣泛的立體交叉建筑物之一，其中又以u形薄殼渡槽具有造形好、水力條件優越、縱向剛度大、環向內力小以及截面經濟等特點樂于被廣大設計者采用。隨著引調水工程的增大，槽身結構尺寸呈現出越來越大的趨勢，結構也較為復雜、空間效應越來越明顯，大形渡槽采用預應力技術來提高渡槽的安全性和耐久性。

2、預應力的布置是大形渡槽設計的關鍵，早期預應力的布置參照橋梁按荷載平衡法進行設計，縱向預應力布置于槽身底部，環向采用等間距的布置方式，隨著跨度和流量的增大，開始布置上部和腰部鋼束以及采用局部加大壁厚的方式來解決內表面應力超標問題。綜上目前的主要方案還是在通過增加縱向和環向鋼束對混凝土施加約束來解決大跨度u形渡槽近端肋部分內表面應力超標問題，盡管這些方法在一定程度上可以改善渡槽端部的應力水平，防止其開裂，但它們往往效率較低，且會腰筋的施工存在開裂風險，導致槽身混凝土的應力水平較高，結構延性降低。

3、目前，u形渡槽中常采用環向和縱向預應力鋼絞線對結構施加約束，以提高其抗裂性能和耐久性。然而，傳統的預應力布置方式(如環向預應力鋼絞線等間距布置)在實際應用中逐漸暴露出一些不足，例如端部區域易發生應力集中、局部受力不均等問題，可能導致結構薄弱部位的裂縫擴展風險增加。此外，為了滿足大跨度渡槽的安全性和穩定性要求，通常需要額外增加鋼絞線的布置量，導致材料成本和施工復雜性顯著提高。

4、為了克服這些問題，當前技術中廣泛應用有限元分析方法對渡槽的受力狀態進行模擬，并結合局部加密或結構加厚的方式對關鍵部位進行優化。然而，這些傳統方法往往難以在不顯著增加鋼絞線用量或結構復雜度的情況下有效緩解端部區域的應力集中問題。因此，在u形渡槽設計中，亟需一種更高效的預應力布置優化方法，以同時兼顧結構性能的提升和工程成本的控制。

技術實現思路

1、本發明所要解決的技術問題是現有u形渡槽預應力鋼絞線布置方式中存在的端部應力集中、薄弱部位抗裂性能不足以及材料利用率低的問題，目的在于提供一種u形渡槽及其環向預應力鋼絞線的布置方法和相關產品，通過優化鋼絞線的布置形式有效改善端部受力狀態，提高渡槽的抗裂性能和結構耐久性，同時降低鋼絞線使用量并簡化施工工藝的效果。

2、本發明通過下述技術方案實現：

3、一種u形渡槽，包括：槽體、以及位于所述槽體內部的環向預應力鋼絞線和縱向預應力鋼絞線；

4、所述縱向預應力鋼絞線沿所述槽體軸線方向布置；所述環向預應力鋼絞線環繞所述槽體布置，包括平行部分和網狀部分；

5、所述平行部分設置于所述槽體的非薄弱部位，所述平行部分包括多個平行鋼絞線，多個所述平行鋼絞線均與所述槽體的橫截面平行布置；

6、所述網狀部分設置在所述槽體的薄弱部位，所述網狀部分包括多個第一傾斜鋼絞線和多個第二傾斜鋼絞線，多個所述第一傾斜鋼絞線相互平行設置，且與所述槽體的橫截面呈銳角夾角，多個所述第二傾斜鋼絞線相互平行設置，且與所述槽體的橫截面成銳角夾角，所述第一傾斜鋼絞線與所述第二傾斜鋼絞線交錯布置，形成網狀結構。

7、具體地，所述槽體的薄弱部位為：剪切應力大于設定閾值的應力集中區域和主拉應力大于設定閾值的應力集中區域。

8、一種u形渡槽環向預應力鋼絞線的布置新方法，用于布置如上所述的u形渡槽中的環向預應力鋼絞線，所述布置方法包括：

9、基于槽體的結構形式和受力特點，建立足尺有限元模形，對槽體在無預應力狀態下進行受力仿真分析；

10、根據仿真分析結果，確定槽體中剪切應力或主拉應力大于設定閾值的區域，將其標記為槽體的薄弱部位，其余區域為非薄弱部位。

11、基于槽體的幾何特性和薄弱部位的分布，對環向預應力鋼絞線的布置形式進行參數化，獲得布置參數；

12、基于布置參數獲得的足尺有限元模形，對槽體進行受力仿真分析；判斷槽體薄弱部位的受力狀態是否滿足設計要求；

13、若不滿足設計要求，則調整布置參數，迭代更新環向預應力鋼絞線的布置形式，直至滿足設計要求。

14、具體地，環向預應力鋼絞線的布置形式為：在槽體的非薄弱部位布置環向預應力鋼絞線中的多個平行鋼絞線；在槽體的薄弱部位布置環向預應力鋼絞線中的多個第一傾斜鋼絞線和第二傾斜鋼絞線。

15、具體地，布置參數包括：

16、鋼絞線間距參數：平行鋼絞線之間的固定間距；第一傾斜鋼絞線之間的固定間距；第二傾斜鋼絞線之間的固定間距；第一傾斜鋼絞線與第二傾斜鋼絞線之間的交錯間距；

17、角度參數：第一傾斜鋼絞線與槽體橫截面形成的銳角夾角；第二傾斜鋼絞線與槽體橫截面形成的銳角夾角；

18、坐標參數：薄弱部位在槽體中的空間坐標；鋼絞線在槽體的空間坐標。

19、可選地，布置參數的獲得方法包括：

20、建立預應力鋼絞線與渡槽所在三維空間的統一坐標系；

21、確定第i根傾斜鋼絞線的空間集合位置：

22、圓弧部分：

23、環槽方向位置方程：(xi-xro)2+(zi-zro)2＝(r+δr)2；

24、順向順槽方向位置方程：

25、逆向順槽方向位置方程：

26、直線部分：

27、左側(-(r+δr)、yi，zro)、(-(r+δr)、yi，zro+f)；

28、逆向右側((r+δr)、yi-n×δy，zro)、((r+δr)、yi-n×δy，zro+f)；

29、順向右側((r+δr)、yi+n×δy，zro)、((r+δr)、yi+n×δy，zro+f)；

30、其中，xi、yi、zi為第i根斜向鋼束的空間坐標，yi0為左側鋼束沿槽向起點坐標值；r為渡槽內徑；δr為鋼束距離內表面距離；xro、zro為u形渡槽圓心坐標值；n指的是交叉鋼絞線的跨越根數；δy環向鋼束的順槽向間距；f為渡槽直段高度。

31、聯求解獲得環向預應力鋼絞線的布置參數。

32、具體地，對布置參數進行迭代優化的方法包括：

33、初始設置布置參數，包括鋼絞線的間距參數、夾角參數和空間坐標參數；

34、利用有限元仿真分析薄弱部位的應力分布，判斷是否滿足預設的設計要求；

35、若仿真結果不滿足要求，則調整以下布置參數：增大或減小第一傾斜鋼絞線與第二傾斜鋼絞線之間的交錯間距；調整第一傾斜鋼絞線和第二傾斜鋼絞線的固定間距；調整第一傾斜鋼絞線和第二傾斜鋼絞線與槽體橫截面的夾角；修改平行鋼絞線的間距和分布范圍；

36、根據調整后的布置參數重新仿真分析，直至薄弱部位和非薄弱部位的應力分布均滿足設計要求。

37、可選地，布置方法包括：

38、將渡槽環向預應力鋼絞線的布置參數，包括間距參數、夾角參數及空間坐標參數，轉化為代碼形式進行表述；

39、將代碼形式的布置參數與制圖軟件對接，生成環向預應力鋼絞線的三維布置圖；

40、將三維布置圖導入有限元模形，獲得完成鋼絞線布置的尺有限元模形。

41、一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現如上所述的一種u形渡槽環向預應力鋼絞線的布置新方法。

42、一種計算機程序產品，包括計算機程序/指令，其特征在于，該計算機程序/指令被處理器執行時實現如上所述的一種u形渡槽環向預應力鋼絞線的布置新方法。

43、本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：

44、本發明通過在u形渡槽的槽體內布置環向預應力鋼絞線和縱向預應力鋼絞線，其中環向預應力鋼絞線包括設置于槽體非薄弱部位的平行部分和設置于槽體薄弱部位的網狀部分，優化了薄弱部位的受力形式。通過參數化設計，確定環向預應力鋼絞線的間距、夾角及空間坐標，結合有限元仿真分析，迭代優化布置參數，使渡槽整體結構性能滿足設計要求。

45、本發明通過在槽體非薄弱部位布置平行部分環向預應力鋼絞線，可以提供均勻的約束力，有效降低非薄弱部位的應力集中現象；在槽體薄弱部位采用網狀部分的“漁網狀”布置形式，交錯布置的第一傾斜鋼絞線和第二傾斜鋼絞線能夠改善局部受力狀態，提高薄弱部位的抗裂性能和結構耐久性。

46、本發明還通過參數化設計確定預應力鋼絞線的布置參數，可以快速實現布置方案的調整和優化，提升設計效率。利用有限元仿真分析對布置方案進行驗證與迭代優化，使得環向預應力鋼絞線的布置更加精準，從而減少鋼絞線使用量，降低工程成本。