渡槽結(jié)構(gòu)動位移分析

彭利華

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000）

渡槽結(jié)構(gòu)動位移分析

彭利華

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000）

根據(jù)渡槽的結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對實際工程中某渡槽進行了抗震分析，探討了該渡槽在4種工況下的動位移變化范圍，結(jié)果表明槽內(nèi)是否有水對結(jié)構(gòu)整體的動位移均有一定影響，所得結(jié)果可為該渡槽的抗震設(shè)計提供依據(jù)。

渡槽結(jié)構(gòu)；有限元；動位移

南水北調(diào)工程是為解決我國水資源分布不均而興建的大型水利工程。渡槽是跨越河流、道路的重要架空輸水建筑物，由槽身、支架、支座等部分組成。在南水北調(diào)中線工程中大型渡槽就有數(shù)十座，且大部分位于地震烈度7度及7度以上地區(qū)，這些渡槽的抗震設(shè)計對整個工程的安全和經(jīng)濟運行有著至關(guān)重要的影響。因此，開展大型渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文利用ANSYS程序，對某渡槽進行了多種工況下的位移分析研究。

1 計算條件和方法

1.1 建模依據(jù)

渡槽由槽身、槽墩、支座等部分組成，在本結(jié)構(gòu)中分為底部縱、橫梁，渡槽邊墻板、中墻板，頂部頂梁、拉桿及槽墩，槽墩為一中空的加肋薄殼結(jié)構(gòu)。以往常常將槽身作為實心梁單元進行模擬，不能考慮各構(gòu)件彎扭位移耦合作用，導(dǎo)致結(jié)果存在較大誤差。針對渡槽結(jié)構(gòu)型式特點及各部件的受力特性，建模時采用了梁元與板殼元，用梁元來表示底部縱梁、橫梁、頂部拉桿與頂部縱梁，用板殼元表示邊墻板、中墻板、底板及槽墩，建立結(jié)構(gòu)的整體模型進行分析。本模型中共有6146個單元，5022個節(jié)點，30132個自由度，具體模型見圖1。

1.2 材料參數(shù)

渡槽槽體的材料C50混凝土，密度2500kg/m3，彈性模量32.5GPa，泊松比0.167；渡槽槽墩墩帽的材料C40混凝土，密度2500kg/m3，彈性模量32.5GPa，泊松比0.167；渡槽槽墩的材料C25混凝土，密度2500kg/m3，彈性模量28.0GPa，泊松比0.167；支座部分，密度2500kg/m3，彈性模量3.86GPa，泊松比0.35。

2 渡槽結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析

在時程分析法中需要輸入地震地面運動加速度v咬g，本文選用適用于中硬、中軟場地的EL－Centro（1940.5.18 S－E）波作為地震波輸入，地震歷時10s，時間間隔0.02s，地震波加速度時程曲線如圖2所示。在此地震波激振下進行渡槽結(jié)構(gòu)在各種工況下的地震動力時程分析，進行時程分析時取地震烈度為7度。

2.1 槽內(nèi)無水

結(jié)構(gòu)動位移的計算與分析如表1所示。

計算結(jié)果表明：頂梁及拉桿在橫向出現(xiàn)的位移較大，橫向最大位移均出現(xiàn)在梁的跨中，其他部位的位移相對較小，各梁的位移分布規(guī)律均相同；板的位移中墻板在橫向出現(xiàn)大值，部位發(fā)生在板的中段上部，底板和墩帽的各項位移均較小。

表1 各構(gòu)件的位移 單位：mm

2.2 三槽過水

結(jié)構(gòu)動位移的計算與分析如表2所示。

計算結(jié)果表明：頂梁及拉桿在橫向出現(xiàn)的位移較大，橫向最大位移均出現(xiàn)在梁的跨中，其他部位的位移相對較小，各梁的位移分布規(guī)律均相同；板的位移中墻板在橫向出現(xiàn)大值，部位發(fā)生在板的中段上部，底板和墩帽的各項位移均較小。三槽過水的各項位移值均比空槽時的數(shù)值明顯增大。

表2 各構(gòu)件的位移 單位：mm

2.3 中槽過水

結(jié)構(gòu)動位移的計算與分析如表3所示。

計算結(jié)果表明：這種工況下的動位移分布與其他工況基本相同，只是具體數(shù)值有所不同，各項數(shù)值處于槽內(nèi)無水和三槽過水這兩種工況之間。

表3 各構(gòu)件的位移 單位：mm

2.4 邊槽過水

表4 各構(gòu)件的位移 單位：mm

結(jié)構(gòu)動位移的計算與分析如表4所示。

計算結(jié)果表明：邊槽過水情況比較復(fù)雜，分布規(guī)律與前邊各工況基本相同，只是具體數(shù)值有所不同。由于邊槽內(nèi)有水，結(jié)構(gòu)上部質(zhì)量加大，位移也大于無水時的位移，但是由于水質(zhì)量分布在邊緣，不均勻，導(dǎo)致個別部位的位移增加很多。

3 結(jié)語

（1）渡槽結(jié)構(gòu)在這幾種工況下的動位移最大值分布位置基本相同，只是具體數(shù)值有所不同。渡槽結(jié)構(gòu)有水時的位移大于無水時的位移，這是因為隨著水位的增加，結(jié)構(gòu)上部質(zhì)量加大，從而使作用在渡槽上的地震作用加大引起的。

（2）槽內(nèi)是否有水對槽墩墩帽的動位移影響不大，但是對槽身上部的動位移有較大影響。

總體而言，該結(jié)構(gòu)多數(shù)部位的動位移值均不大，動位移比較大的部位在渡槽上部的頂梁、拉桿及邊墻和中墻，為減小地震對渡槽的影響，設(shè)計計算中應(yīng)該采取適當抗震措施來減小該結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，保證渡槽的安全使用。

［1］王博，李杰.大型渡槽結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析［J］.土木工程學(xué)報，2002，34（3）：30－33.

［2］王博.大型渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析理論與應(yīng)用［D］.上海：同濟大學(xué)，2000.

［3］李桂青.抗震結(jié)構(gòu)計算理論和方法［M］.北京：地震出版社，1985.

［4］江見鯨，賀小崗，傅德炫.建筑結(jié)構(gòu)分析程序［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［5］李遇春，樂運國，李祥新，等.大型高墩渡槽橫向地震反應(yīng)分析［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1999，32（3）：43－46.

［6］高兌現(xiàn)，李正農(nóng)，唐永勝，等.渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析［J］.水利發(fā)電學(xué)報，2004，23（5）：40－43.

Study on Dynamic Displacement of Aqueduct

PENG Li－h(huán)ua
（Hebei Software Institute，Baoding 071000，China）

Based on structural characteristics of aqueduct and finite element method software ANSYS，seismic response analysis is conducted for a large－scale aqueduct.The instance of distributing of dynamic displacement of the aqueduct under four conditions is studied.The conditions with water whether or not， or with part water influence the value of dynamicdisplacement The computation results lay the foundation for systematic design of the aqueduct.

aqueduct structure；finite element methods；dynamic displacement

TV31

A

1672-9900（2011）01-0053-03

2010－11－29

彭利華（1975－），女（漢族），河北陽原人，講師，主要從事結(jié)構(gòu)分析研究工作，（Tel）13730269081。