李偉鴻 李桂元 盛 東 胡春艷
(湖南省水利水電科學(xué)研究所 長沙市 410007)
大型矩形渡槽結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析
李偉鴻 李桂元 盛 東 胡春艷
(湖南省水利水電科學(xué)研究所 長沙市 410007)
文章應(yīng)用大型有限元軟件ADINA對南水北調(diào)中線輸水工程之一的水北溝大型矩形雙槽渡槽進(jìn)行分析,建立了渡槽動(dòng)力響應(yīng)分析模型。其中涉及的方面有:預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理、支座的處理、槽身拉桿的處理、各單元網(wǎng)格的處理、地基的處理、水體的模擬方式等。
南水北調(diào) 矩形渡槽 有限元分析 地震響應(yīng)
渡槽(aqueduct)是輸送渠道水流,并跨越河流、山?jīng)_、谷口、道路等的交叉建筑物,是水工建筑物當(dāng)中比較常用的立體式交叉建筑物之一。
由于渡槽結(jié)構(gòu)在使用過程中,會(huì)受到水壓、自重等靜力荷載的作用,還有風(fēng)荷載、人群荷載、地震荷載等動(dòng)力荷載,正是由于渡槽結(jié)構(gòu)承受著這么多荷載,且在不同的荷載狀況下,所表現(xiàn)出來的使用性能是不一樣的,對于如何保證其安全運(yùn)行及使用壽命將變得非常重要[1]。我國《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SDJ 10-78)中有關(guān)渡槽方面的抗震設(shè)計(jì)是這樣表述的:“渡槽等水工建筑物,由于缺少動(dòng)力特性資料及實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),還不能在本《規(guī)范》中概括,有待于進(jìn)一步積累資料,于今后修訂時(shí)逐步補(bǔ)充[2]。”新頒布的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DJ 5073-2000)中也沒有提及相關(guān)的渡槽抗震設(shè)計(jì)方面,因此,導(dǎo)致我國的渡槽抗震設(shè)計(jì)沒有確切規(guī)則所遵循。加上渡槽本身“頭重腳輕”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),即使采用很好的支承形式,因?yàn)橛兴w的影響,對渡槽的抗震是非常不利的。而矩形渡槽相比U型渡槽具有配筋方便、施工簡單等方面的優(yōu)勢。因此,進(jìn)行大型矩形渡槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)等相關(guān)分析的研究具有非常重要的意義。
水北溝渡槽為京石段應(yīng)急供水工程上的一座大型河渠交叉建筑物,位于河北省淶水縣水北村與官家墳村南側(cè),東距涿縣縣城25 km,南距淶水縣城8 km。建筑物全長211 m,工程設(shè)計(jì)流量60 m3/s,加大流量70 m3/s。主體工程建筑物級別為1級,建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì),300年一遇洪水校核,按設(shè)計(jì)烈度7度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)I等工程。
2.1 地基基礎(chǔ)
樁與土之間采用節(jié)點(diǎn)共用的形式。建立地基模型時(shí),把地基分成了82個(gè)體,這是圍繞8根樁來劃分的。只有這樣,劃分網(wǎng)格是才能用到規(guī)則式網(wǎng)格,這種網(wǎng)格可節(jié)省計(jì)算機(jī)存儲(chǔ),劃分速度快且美觀,計(jì)算精度也容易得到保證。
2.2 渡槽相鄰跨的影響
在原本是鄰跨支座的部位以集中質(zhì)量的形式,將槽體和配筋質(zhì)量的一半分成不均勻的3份分別施加在墩帽上。
2.3 支 座
在運(yùn)用大型有限元仿真軟件ADINA進(jìn)行模擬時(shí),支座用一組彈簧單元(Spring)來模擬。
2.4 材料參數(shù)
混凝土材料參數(shù)見表1。
地基土體采用單一均質(zhì)的彈性材料,其參數(shù)取值見表2。
鋼筋材料參數(shù)如表3所示。
表1 混凝土材料參數(shù)表
表2 土材料參數(shù)表
表3 鋼筋材料參數(shù)表
水體材料參數(shù)如表4所示。
表4 水體材料參數(shù)表
2.5 單元技術(shù)
本實(shí)例當(dāng)中結(jié)構(gòu)部分,墩帽、槽體、承臺(tái)、樁、地基及墊層等混凝土材料結(jié)構(gòu)均采用8節(jié)點(diǎn)的3-D SOLID等參單元來進(jìn)行模擬。此單元適合用于空間結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力計(jì)算,由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有X,Y和Z 3個(gè)平動(dòng)自由度。其具有大應(yīng)變、大變形、應(yīng)力強(qiáng)化、膨脹、蠕變、塑性等特性。
拉桿采用2節(jié)點(diǎn)的TRUSS單元模擬。
支座采用一組彈簧單元(SPRING)來模擬。
預(yù)應(yīng)力鋼筋采用ADINA當(dāng)中的REBAR單元來模擬,此單元在模型劃分網(wǎng)格時(shí),不需要為其單獨(dú)劃分網(wǎng)格,ADINA在生成求解文件時(shí)自動(dòng)為其生成。
水體采用ADINA當(dāng)中的勢流體單元來模擬。
2.6 有限元模型
本有限元模型是根據(jù)實(shí)際工程尺寸上建立起來的,但存在一定的簡化,如本有限元模型中忽略了渡槽側(cè)肋的影響。
本有限元模型尺寸是取自實(shí)際工程當(dāng)中渡槽的3號(hào)、4號(hào)槽墩的尺寸上,建立起來的不同水深工況的基于勢流理論的靜力模型。槽身沿水流方向取一跨。整體模型圖見圖1。兩槽無水工況下槽身有限元網(wǎng)格圖見圖2。
圖1 整體模型圖
圖2 無水工況下槽身有限元網(wǎng)格圖
渡槽處于III類場地地震基本烈度為7度,設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按相應(yīng)于100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期超越概率為2%的基巖水平峰值加速度代表值確定,順槽向和橫向最大加速度峰值代表值取0.1 g,豎直方向取水平設(shè)計(jì)地震峰值加速度的2/3,為0.066 6 g。特征周期Tg= 0.3,時(shí)間步長取0.01 s,地震波根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜生成的人工波如圖3。
圖3 順槽向地震波加速度曲線
考慮三種工況:工況1,空槽水深;工況2,半槽水深。 工況3,滿槽水深。
表5列出了在順槽向和豎向擬合地震波激勵(lì)下, 不同水深工況下矩形渡槽在整個(gè)時(shí)間歷程上的豎向位移(Z向)DZ和豎向(Z向)應(yīng)力SZ,縱向(Y向)應(yīng)力SY的最值,以及最值出現(xiàn)的時(shí)間和位置。
表5 各工況下槽身結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)最值對比分析表
由于篇幅所限, 下面僅列出工況2下豎向位移最小值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)豎向位移云圖和工況3下縱向應(yīng)力最大值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)縱向應(yīng)力云圖(圖4、圖5)。
圖4 工況2下豎向位移最小值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)豎向位移云圖(單位:m)
圖5 工況3下縱向應(yīng)力最大值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)縱向應(yīng)力云圖(單位:Pa)
槽身豎向位移在工況2下的豎向位移最大值(向上的位移)比工況1和工況3要大,但其最值出現(xiàn)點(diǎn)的位置是一樣, 均出現(xiàn)在槽身底板上部的中間位置。這是因?yàn)樵诠r2情況下,水體的自重不足以壓制地震波向上的加速度影響。與此相反的,在工況3情況下,由于水深的增加,導(dǎo)致水體自重的增加,對豎直向地震波的加速度起抑制作用, 在一定程度上提高了槽身整體的剛度, 因此會(huì)出現(xiàn)工況3下的豎向位移最大值會(huì)比工況2下的豎向位移最大值要小的情況。 槽身豎向位移的最小值均出現(xiàn)在槽身底板上部的中間位置,且隨著水深的增加而減小。
各工況下,槽身豎向應(yīng)力最值出現(xiàn)的位置一般都為中墻或邊墻的底部與槽身相互接觸的部位。 計(jì)算結(jié)果表明,在這些部位均容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,這就要求在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中,在考慮經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),在容易出現(xiàn)應(yīng)力集中位置,應(yīng)當(dāng)采用加大接觸面或增加配筋量的方法,防止發(fā)生應(yīng)力破壞。 在槽身端部,要注意豎向鋼筋布置位置,調(diào)整混凝土與鋼筋的接觸部位。
各工況下, 槽身縱向應(yīng)力最值多出現(xiàn)在邊墻或中墻的人行道上,或者是縱梁與橫梁相接觸的部位。這就要求在實(shí)際渡槽槽身設(shè)計(jì)當(dāng)中,在槽身縱梁與橫梁相接觸部位,應(yīng)采用加大接觸面的方式,不使用直角形式的接觸方式,并配備適當(dāng)?shù)慕佑|鋼筋,防止發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在邊墻和中墻的人行道上應(yīng)當(dāng)充分考慮其尺寸形式,本文采用的是直角接觸形式,實(shí)際工程中不是這樣的,人行道與中墻或邊墻相接觸位置有一定的傾斜,也根據(jù)其具體的尺寸形式,配備了鋼筋。具體設(shè)計(jì)時(shí),還要考慮相應(yīng)的風(fēng)荷載狀況,風(fēng)荷載狀況對邊墻及其上的人行道影響很大。
[1]王博.大型渡槽結(jié)構(gòu)抗震分析方法及其應(yīng)用[D].大連:大連理工大學(xué),2005.
[2]水利電力部.SDJ 10-78.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 1978.
[3]曹廣德,李同春,夏頌佑.基于非協(xié)調(diào)強(qiáng)化假定應(yīng)變單元的U形薄殼渡槽槽身受力分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2005,(10).
[4]華北水利水電學(xué)院.大型渡槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、溫度荷載及動(dòng)力分析研究[R].2008.
[5]電力部.SL 203-97.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1997.
[6]Shan J J.Construction ofGomtiAqueduct[J].Indian Consrete Joumal,June,1986.
[7]Golani B D.‘Rolling trusses’as falsework for aqueduct and bridges[J].Indian Concret Jouranl,January,1978.
2016-11-02)
李偉鴻(1989-),男,湖南株洲人,碩士,研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu),E-mail:liweihong89@126.com。