南水北調(diào)涵洞式矩形渡槽運(yùn)營期有限元仿真分析

姚 峰,趙明階,王麗芳

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶400074;2.華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院,河南鄭州450001)

近年來,隨著中國水利事業(yè)的快速發(fā)展,渡槽結(jié)構(gòu)也向著大型化發(fā)展,并且成為我國南水北調(diào)工程中的重要立體交叉工程,這些大型渡槽聯(lián)系著主要的輸水渠道,是極為重要的生命線工程[1]。為了確保大型渡槽的安全,必須對渡槽進(jìn)行不同荷載組合分析,為渡槽的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。本文在已有成果[1]的基礎(chǔ)上,利用有限元軟件ANSYS對南水北調(diào)工程中在運(yùn)營期各種工況作用下的涵洞式渡槽進(jìn)行仿真模擬,得出了不同荷載組合下槽體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的變化規(guī)律。

1 涵洞式渡槽結(jié)構(gòu)幾何尺寸

在研究分析中,渡槽的單跨長取20 m,槽體形式為矩形截面雙線四槽組合式結(jié)構(gòu),渡槽結(jié)構(gòu)與三個(gè)涵洞交叉為一體,渡槽居上,涵洞置于其下,如圖1所示的橫斷面圖中,兩槽在中間自上而下分開,形成獨(dú)立的兩部分。該梁式渡槽單槽過水面積為73.77 m2,設(shè)計(jì)水深為6.79 m,加大水深為7.60 m,其單跨跨度為20.0m,外形寬度為14.35 m,高度為8.6m;涵洞中墻厚度0.85 m,側(cè)墻厚度0.75 m。

圖1 渡槽橫斷面圖(單位:mm)

渡槽的設(shè)計(jì)流量為305 m3/s,單槽設(shè)計(jì)流量為76.25 m3/s,加大流量為365 m3/s,單槽加大流量為 91.25 m3/s。糙率系數(shù)為0.014,槽身底坡i=1/5500。渡槽普通鋼筋采用熱扎Ⅰ,Ⅱ級鋼筋,預(yù)應(yīng)力筋采用 7Φ 5(ΦS15)鋼絞線,鋼絞線的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 fptk=1 860 MPa,彈性模量為Es=180 GPa,根據(jù)規(guī)范[2]和工程經(jīng)驗(yàn),鋼絞線的張拉控制應(yīng)力允許值為0.7fptk=1 302MPa。渡槽按1級建筑物設(shè)計(jì)[3],結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全級別為Ⅰ級,渡槽的縱斷面如圖2所示。

圖2 渡槽縱斷面圖

2 涵洞式渡槽結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.1 地基基礎(chǔ)

地基以實(shí)體模型建立,和樁之間采用節(jié)點(diǎn)共用的處理方法,以模擬樁土作用。

2.2 支座形式

支座形式對渡槽結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響是比較大的,實(shí)際工程情況的支座有多種不同形式,鑒于本文研究重點(diǎn),文中所建模型均采用的是彈性支座,如圖3所示,通過多組約束方程模擬。

圖3 彈性支座

2.3 有限元模型

根據(jù)規(guī)范,縱向計(jì)算時(shí) γm=1.35,橫向計(jì)算時(shí) γm=1.55。槽身、槽墩及地基的單元?jiǎng)澐秩鐖D4所示,為了更好的模擬渡槽的實(shí)際受力情況,渡槽槽身沿水流方向取一跨,地基土體沿鉛直方向取地表以下30 m,上下游各取20 m,總長60 m,沿橫向取58.4 m,該地基承載標(biāo)準(zhǔn)值130 kPa。

圖4 槽身、槽墩及地基有限元模型

2.4 材料性質(zhì)取值

混凝土材料與土體材料性質(zhì)參見表1和表2。

表1 混凝土材料性質(zhì)取值

表2 土體材料性質(zhì)

2.5 單元技術(shù)

渡槽、涵洞及地基均采用8節(jié)點(diǎn)SOLID45等參單元來模擬,該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的特性,特別適合于做空間結(jié)構(gòu)的靜動力分析。支座采用兩節(jié)點(diǎn)COMBIN40及COMBIN14單元模擬?？v向與環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元模擬。

2.6 荷載及其組合

根據(jù)水工建筑物荷載規(guī)范[4],槽身運(yùn)營期經(jīng)常起作用的及不定期重復(fù)出現(xiàn)的荷載有自重(2 450 kN/m3)、槽內(nèi)水重及水壓力(γw=10 kN/m3)、人群荷載(2.5 kN/m2)、涵洞內(nèi)水重及水壓力、涵洞揚(yáng)壓力(28.5 kN/m2)、風(fēng)壓力(基本風(fēng)壓 W0=450 Pa)、檢修荷載、涵洞內(nèi)1 m填土壓力及溫度荷載(冬季:槽外1℃,槽內(nèi)9℃,土體上層6℃,土體下層溫度3℃;夏季:槽外32℃,槽內(nèi) 24℃,土體上層 25℃,土體下層溫度 15℃)。為更好模擬計(jì)算結(jié)果,使計(jì)算結(jié)果更加符合真實(shí)情況,擬采用10種荷載組合,詳見表3。

2.7 計(jì)算路徑

為了便于分析不同工況下大型渡槽的位移沿某一條線上各結(jié)點(diǎn)(即路徑)的變化情況,擬對渡槽結(jié)構(gòu)采用4種路徑進(jìn)行分析,4種路徑的具體劃分如圖5所示。圖5中給出了渡槽跨中環(huán)向結(jié)點(diǎn)組合(即路徑1)和縱向結(jié)點(diǎn)組合(即路徑2、3、4)的劃分方法。圖中標(biāo)出的路徑號是指單跨渡槽所經(jīng)歷的直線路徑,便于形象的表示出渡槽各結(jié)點(diǎn)間應(yīng)力和位移的變化趨勢。

圖5 各條路徑的定義

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移分析

表4為計(jì)算結(jié)果中各工況下的最大豎向位移,由計(jì)算結(jié)果可以看出,各種工況的最大豎向位移大都分布在4.482 cm和6.734 cm之間,出現(xiàn)位置為兩渡槽之間交界伸縮縫處。在各工況中,工況6的豎向位移最大,該工況組合為:自重+槽內(nèi)滿槽水壓+人群+風(fēng)載+涵洞無水冬季及1 m填土壓力的荷載。由于在大型渡槽中要傳送大量的水,則大型渡槽中傳送水體的重量與渡槽槽身結(jié)構(gòu)的自重相當(dāng),甚至大于渡槽槽身結(jié)構(gòu)的自重,巨大的水體重量在結(jié)構(gòu)分析中起著很重要的作用,因此在結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中,影響豎向位移的主要因素有:渡槽自重,傳送的水體產(chǎn)生的重力和涵洞的揚(yáng)壓力;其它的因素均可以不予進(jìn)行考慮。

表4 各種工況下豎向最大位移

圖6 渡槽結(jié)構(gòu)縱向各路徑豎向位移對比圖

圖6展示各工況下路徑2、3、4沿渡槽結(jié)構(gòu)縱向各點(diǎn)的豎向位移變化曲線。可以看出,越靠近兩渡槽之間交界處,豎向位移就越大,因而最大豎向位移出現(xiàn)在兩渡槽之間的交界處;工況1、2、9、10各路徑的豎向位移較小,大多集中在-4.5 cm～ -3.5 cm 之間;而工況 3、4、5、6、7、8 各路徑的豎向位移相對較大,大多集中在-6.4 cm～-5.2 cm之間。工況6為最不利組合效應(yīng),即渡槽槽身結(jié)構(gòu)的自重,巨大的水體重量在結(jié)構(gòu)靜力分析中起著非常重要的作用,因此在結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中,必須考慮水壓力對結(jié)構(gòu)的作用和影響。

3.2 應(yīng)力分析

渡槽內(nèi)壁各工況跨中斷面環(huán)向應(yīng)力圖見表5,由各工況應(yīng)力圖可知,最大環(huán)向應(yīng)力多出現(xiàn)在渡槽兩端端部下邊緣處,這是由槽內(nèi)水體壓迫所致。其中,工況2、5、6的環(huán)向應(yīng)力相對較大,最大可達(dá)2.16MPa。

表5 渡槽結(jié)構(gòu)各工況跨中斷面環(huán)向應(yīng)力圖(單位:MPa)

由于在工況2、工況5和工況6中應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為明顯,且最大應(yīng)力均出現(xiàn)在這幾個(gè)工況中,這三種工況的具體分析如下:

在工況2中,渡槽大部分槽身橫向應(yīng)力在-1.25 MPa～1.03 MPa之間,并且橫向最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在涵洞中墻下邊緣處,橫向最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在涵洞側(cè)墻下邊緣處,橫向應(yīng)力бx的最大值為3.31 MPa;渡槽大部分槽身豎向應(yīng)力在-1.75 MPa～2.01 MPa之間,并且豎向最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在兩渡槽間下邊緣處,豎向最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在涵洞側(cè)墻下邊緣處,豎向應(yīng)力 бy的最大值為2.42 MPa。

在工況5中,渡槽大部分槽身橫向應(yīng)力在-1.69 MPa～1.33 MPa之間,并且橫向最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在涵洞中墻下邊緣處,橫向最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在涵洞側(cè)墻下邊緣處,橫向應(yīng)力бx的最大值為4.34 MPa;渡槽大部分槽身豎向應(yīng)力在-1.99 MPa～2.32 MPa之間,并且豎向最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在兩渡槽間下邊緣處,豎向最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在涵洞側(cè)墻下邊緣處,豎向應(yīng)力 бy的最大值為2.51 MPa。

在工況6中,渡槽大部分槽身橫向應(yīng)力在-1.51 MPa～1.42 MPa之間,并且橫向最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在涵洞中墻下邊緣處,橫向最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在涵洞側(cè)墻下邊緣處,橫向應(yīng)力бx的最大值為4.36 MPa;渡槽大部分槽身豎向應(yīng)力在-2.10 MPa～2.21 MPa之間,并且豎向最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在兩渡槽間下邊緣處,豎向最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在涵洞側(cè)墻下邊緣處,豎向應(yīng)力 бy的最大值為2.31 MPa。

4 結(jié) 語

渡槽兩側(cè)墻體在水體壓力的作用下其變形較大,很可能在渡槽的表面產(chǎn)生裂縫,因此,建議在渡槽頂部設(shè)置橫向拉桿。

大型渡槽傳送水體的重量與渡槽槽身結(jié)構(gòu)的自重相當(dāng),甚至大于渡槽槽身結(jié)構(gòu)的自重,巨大的水體重量在結(jié)構(gòu)分析中起著重要的作用,必須在設(shè)計(jì)和施工時(shí)予以重視。

溫度應(yīng)力分析中,夏季溫差工況下渡槽內(nèi)壁可能會出現(xiàn)裂縫,冬季溫差工況下渡槽外表面可能會出現(xiàn)裂縫,施工工況下溫度應(yīng)力雖然不是太大,但有可能在渡槽的表面產(chǎn)生裂縫。

在各工況荷載作用下,渡槽結(jié)構(gòu)均是安全可靠的,雖然局部應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯,不過不影響渡槽的正常使用。

[1] 白新理,謝偉,李玉河,等.南水北調(diào)工程建設(shè)重大關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用(JGZXJJ2006-10):大型渡槽施工和運(yùn)營期動態(tài)跟蹤、溫度荷載及動力分析研究報(bào)告[R].華北水利水電學(xué)院,北京交通大學(xué),南水北調(diào)工程建設(shè)監(jiān)管中心,2007.

[2] 電力工業(yè)部西北勘察設(shè)計(jì)研究院.SL/T191-96.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,1997:10-12.

[3] 竺慧珠,陳德亮,管楓年.渡槽[M].北京:中國水利水電出版社,2005:1-13.

[4] 電力工業(yè)部中南勘測設(shè)計(jì)研究院.DL 5077-1997.水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,1998:8-34.