南水北調(diào)中線雙洎河渡槽橫桿受力分析

李濤峰，李鳳琴，楊春景

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

0 引言

渡槽是跨越河流、道路、山?jīng)_、谷口等的架空輸水建筑物，是水利工程中的重要立體交叉工程。 大流量鋼筋混凝土梁式槽身多采用矩形斷面。 對(duì)這種斷面形式的渡槽，有通航要求時(shí)，槽身不設(shè)橫桿，對(duì)于無(wú)通航要求的槽身，為了改善橫向受力條件，常沿槽頂每隔1～2 m 設(shè)置一根橫桿。 對(duì)于橫桿的受力性能，目前還缺乏系統(tǒng)的分析研究。 在常規(guī)計(jì)算時(shí)，一般將拉桿均勻化，桿端按鉸接考慮，簡(jiǎn)化為一次超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算[1]。 文獻(xiàn)[2]采用有限元法，詳細(xì)計(jì)算了不同高寬比（H/B）下無(wú)拉桿和不同拉桿間距簡(jiǎn)支梁式矩形渡槽槽身的應(yīng)力，并根據(jù)計(jì)算應(yīng)力，以最大主應(yīng)力作為控制標(biāo)準(zhǔn)，分析了H/B 以及拉桿間距對(duì)槽身橫截面應(yīng)力的影響，提出了渡槽槽身應(yīng)力與拉桿間距之間的關(guān)系[2]。 本文試在已有成果基礎(chǔ)上，以南水北調(diào)中線工程中的雙洎河渡槽為研究對(duì)象，通過(guò)建立有限元模型，對(duì)不同高寬比和不同槽內(nèi)水深下的渡槽橫桿的軸力進(jìn)行計(jì)算分析，從而研究高寬比和水深對(duì)渡槽橫桿受力的影響。

1 計(jì)算條件

1.1 渡槽的概況

南水北調(diào)中線工程中的雙洎河渡槽位于河南省新鄭市境內(nèi)，為梁式結(jié)構(gòu)，槽身段長(zhǎng)630 m，單跨長(zhǎng)30 m。 槽體為矩形截面雙渡槽結(jié)構(gòu)，總寬度為17.8 m。渡槽的設(shè)計(jì)流量為305 m3/s，加大流量為365m3/s。支撐結(jié)構(gòu)為空心薄壁重力墩，最大墩高15 m，墩壁厚1 m。 槽墩上部寬度為19.3 m，下部寬度為22 m?；A(chǔ)采用兩排共10 根直徑為1.8 m 的灌注摩擦樁。

1.2 渡槽的材料參數(shù)

渡槽槽體混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C50，密度為2 450 kg/m3，泊松比為0.1667。

2 計(jì)算模型和工況

2.1 計(jì)算模型

選取一跨渡槽建立渡槽的力學(xué)模型。 考慮到對(duì)稱性，取其1/4 建立有限元模型，進(jìn)行分析。 槽底側(cè)墻、中墻和底板、槽頂縱梁、槽底縱梁、側(cè)墻豎肋、槽底橫肋用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。 其有限元模型如圖1所示。

圖1 1/4 渡槽有限元模型圖Fig.1 1/4 aqueduct FEM

2.2 坐標(biāo)系選取

選取渡槽上游端中墻中線和底板中線的相交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，z 軸鉛直向上，y 軸為水流方向，x 軸為渡槽橫向，采用右手坐標(biāo)系。

2.3 支座及邊界條件

根據(jù)工程實(shí)際情況，用彈性支座模擬盆式橡膠支座。 在仿真計(jì)算時(shí)，用3 個(gè)單向彈性構(gòu)件來(lái)模擬橡膠支座的力學(xué)行為。 在豎向，僅考慮支座彈性變形，在橫向和豎向均考慮支座的應(yīng)力剛化效應(yīng)。 其彈性模量為5GPa，屈服應(yīng)力為30MPa。 由于建立的是1/4 有限元模型，因此，渡槽中墻側(cè)面和跨中斷面采用對(duì)稱邊界條件。

2.4 工況計(jì)算

在渡槽結(jié)構(gòu)有限元分析中，橫桿的軸力有時(shí)是正值（拉力），有時(shí)是負(fù)值（壓力）。 為了找出橫桿（拉桿和撐桿）的受力規(guī)律，本次計(jì)算考慮了2 個(gè)因素：（1）不同高寬比的影響分析。 考慮了6 種不同的高寬比，即0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6。（2）不同水深的影響分析。 考慮了5 種不同的水深。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)分析，得出渡槽在不同高寬比下橫桿的軸力（如表1 所示）。 高寬比H/B=1.0 時(shí)，不同水深下橫桿的軸力如表2 所示。

表1 不同高寬比渡槽的橫桿軸向力Table 1 Axial force of aqueduct rail under different height-width ratios

表2 不同水深下渡槽橫桿的軸向力Table 2 Axial force of aqueduct rail under different flux

3.2 結(jié)果分析

為直觀分析上述數(shù)據(jù)， 將表格中數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖2 至圖5 所示。

圖2 渡槽橫桿的軸力隨高寬比的變化曲線Fig.2 Variational curve of axial force of aqueduct rail along with different height-width ratios

圖3 高寬比一定時(shí)，渡槽不同橫桿的軸力變化曲線Fig.3 Variational curve of different axial force of aqueduct rail along with fixed height-width ratios

由圖2～圖5 可以看出，在渡槽槽身的高寬比較小時(shí)，除端部的橫桿（橫桿1 和橫桿2）是受拉（被稱為拉桿）外，其他橫桿受壓（被稱為撐桿）。 隨著高寬比的增大，渡槽橫桿的軸力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔Γ⑶腋邔挶仍酱?，各橫桿的拉力也越大。 隨著水深的增加，渡槽橫桿的軸力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔Γ⑶宜钤酱螅?各橫桿的拉力也越大。 在渡槽槽身的高寬比H/B=1 的條件下，當(dāng)水深較小（Hw=0，Hw=2.5m）時(shí)，只有端部的橫桿1 受拉，其余橫桿受壓。

4 結(jié)語(yǔ)

圖4 渡槽橫桿的軸力隨水深的變化曲線(H/B=1.0)Fig.4 Variational curve of axial force of aqueduct rail along with different flux (Unit: H/B=1.0)

圖5 渡槽水深一定時(shí)，不同橫桿的軸力變化曲線Fig.5 Variational curve of different axial force of aqueduct rail along with fixed flux

對(duì)渡槽橫桿受力分析的結(jié)果表明，在自重、水重作用下，渡槽上部橫桿的受力有一定規(guī)律：（1）在渡槽槽身的高寬比較小時(shí)，多數(shù)橫桿受壓。 隨著高寬比的增大，渡槽橫桿的軸力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔?，并且高寬比越大，各橫桿的拉力也越大。 （2）在渡槽槽身的高寬比H/B=1 的條件下，水深較小時(shí)，多數(shù)橫桿受壓。隨著水深的增加，渡槽橫桿的軸力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔?，并且水深越大，各橫桿的拉力也越大。

[1] 趙文華，陳德亮. 渡槽[M].北 京：水利電力出版社，1989：11-12.

[2] 李俊宏，何淑媛. 拉桿間距對(duì)渡槽槽身應(yīng)力的影響[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2005（1）：34-36.

[3] 白新理, 劉東常. 南水北調(diào)工程建設(shè)重大關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，大渡渡槽施工期和運(yùn)營(yíng)期、動(dòng)態(tài)跟蹤、溫度荷載及動(dòng)力分析[R]. 鄭州:華北水利水電學(xué)院，2007：50-55.