拼接式農(nóng)田灌排矩型渠結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與數(shù)值模擬分析

孫景路，李欣欣，王正君，張 濱，?？〉?/p>

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080;3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

拼接式農(nóng)田灌排矩型渠結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與數(shù)值模擬分析

孫景路1,2，李欣欣3，王正君3，張 濱1,2，?？〉?，2

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080;3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

拼接式矩型渠是由左、右L型側(cè)墻和現(xiàn)澆混凝土底板三個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成的一種新型的預(yù)制裝配式輸水渠。本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS建立了組合式矩型渠的模型，模擬和分析了原方案和優(yōu)化后的L型渠在不同工況下的受力狀態(tài)。結(jié)果表明：從承載力極限狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的正常使用以及制造成本方面，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也證明了本工程優(yōu)化后的方案具有應(yīng)用的價(jià)值。該方案不僅解決工程占地較大的突出問(wèn)題，還推動(dòng)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造渠系工程建設(shè)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

預(yù)制裝配式輸水渠；L型渠；數(shù)值模擬；有限元模型

近年來(lái)，我國(guó)加大以水利為重點(diǎn)的農(nóng)業(yè)建設(shè)，小型渠道工程成為了農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)[1-3]。其中混凝土防滲渠道是現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)采用的主要方式之一，也是提高渠系水利用系數(shù)的一個(gè)有效途徑[4]。其優(yōu)點(diǎn)是渠道滲漏少，能充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，便于管理，使用年限長(zhǎng)等[5]。由于矩形斷面具有斷面形式簡(jiǎn)單，施工方便的特點(diǎn)，在中小型供、排水渠槽工程中被推廣應(yīng)用[6]。尤其對(duì)于東北地區(qū)田間防滲工程工期短的特點(diǎn)，裝配式混凝土矩型渠更加適合[7]。

本次采用的拼接式矩型渠(L型)是一種新型的預(yù)制裝配式輸水渠，其由左、右L型側(cè)墻和現(xiàn)澆混凝土底板三個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成?；A(chǔ)經(jīng)處理后將左、右兩L型側(cè)墻按照設(shè)計(jì)渠寬定位安裝好，左、右側(cè)墻底板間的位置采用現(xiàn)澆混凝土的方式封底。針對(duì)拼接式矩型渠應(yīng)用的基本條件，本次設(shè)計(jì)的計(jì)算內(nèi)容包括過(guò)水能力驗(yàn)算、整體穩(wěn)定分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖1為拼接式矩型渠一般斷面結(jié)構(gòu)示意圖，渠底基礎(chǔ)的處理根據(jù)渠道沿線的地質(zhì)條件確定，對(duì)有凍脹防護(hù)要求的渠段按照渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。圖2為L(zhǎng)型渠典型斷面圖，預(yù)制混凝土L型渠參數(shù)見表1。

表1 預(yù)制混凝土L型渠參數(shù)表

圖1 拼接式矩型渠一般斷面結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗裂驗(yàn)算，得知在拼接式矩型渠側(cè)壁與底板連接的拐角處不易滿足抗裂要求。因?yàn)橐罁?jù)設(shè)計(jì)條件混凝土采用的是C50，所以對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化只能通過(guò)改變拼接式矩型渠的斷面尺寸實(shí)現(xiàn)。本文將此處截面優(yōu)化為邊長(zhǎng)100 mm的倒角,優(yōu)化后L型結(jié)構(gòu)的斷面見圖3。

圖2 L型渠典型斷面圖

圖3 優(yōu)化后的L渠斷面(單位：mm)

1 L型渠的穩(wěn)定分析

1.1 平面滑動(dòng)穩(wěn)定分析

結(jié)構(gòu)在水平面上受力是對(duì)稱的，沒有引起結(jié)構(gòu)水平穩(wěn)定失穩(wěn)的滑動(dòng)力，因此結(jié)構(gòu)在平面上無(wú)滑動(dòng)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 抗傾覆穩(wěn)定分析

由于拼接式矩型渠結(jié)構(gòu)由兩部分組成分別為L(zhǎng)型預(yù)制混凝土構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土底板，這樣就存在一個(gè)問(wèn)題就是兩部分結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)有效連接，形成整體矩形渠結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在分別分析兩種情況下結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性。

(1) 通過(guò)預(yù)留鋼筋、鑿毛或使用粘合劑等處理措施后，兩部分構(gòu)件形成整體矩形結(jié)構(gòu)，在本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上渠外填土等高，水渠相當(dāng)于一個(gè)盛水的容器，此時(shí)無(wú)傾覆力矩且基底應(yīng)力均勻分布，只要配筋滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)不發(fā)生構(gòu)造破壞，就不會(huì)發(fā)生傾覆失穩(wěn)破壞。

(2)兩種結(jié)構(gòu)交接面無(wú)法形成完好連接，L型渠結(jié)構(gòu)無(wú)法與底板協(xié)調(diào)受力，未能形成整體矩形渠結(jié)構(gòu)。此時(shí)L型渠結(jié)構(gòu)在土壓力和水壓力等水平力作用下有發(fā)生傾覆的失穩(wěn)趨勢(shì)，針對(duì)該種受力狀況，取一側(cè)L型預(yù)制構(gòu)件為受力分析對(duì)象，進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定分析。

1.3 結(jié)構(gòu)承載力分析

結(jié)構(gòu)水平受力如圖4所示。圖中Pa為外側(cè)回填土壓力，Pw為渠內(nèi)水壓力，F(xiàn)y為底板頂層鋼筋的拉力，Pc為底板底層受壓區(qū)混凝土及底層鋼筋的壓力，假定底板底層受壓區(qū)混凝土及底層鋼筋的壓力的合力作用線與底層鋼筋重合。

圖4 L型渠穩(wěn)定分析受力簡(jiǎn)圖

L型渠結(jié)構(gòu)分為側(cè)墻和底板兩個(gè)部分，側(cè)墻橫斷面為L(zhǎng)型，為工廠預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按照底端固結(jié)的懸臂梁計(jì)算，底板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按照受彎構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明各L型渠在傾覆力矩的作用下是穩(wěn)定的。

1.4 鋼筋拉拔強(qiáng)度驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)底板與地基間的摩擦力可以減少L型渠輸水過(guò)程中對(duì)底板橫斷面產(chǎn)生的拉拔力，是有利的，驗(yàn)算鋼筋抗拉拔破壞時(shí)忽略基底摩擦力，此時(shí)驗(yàn)算結(jié)果是偏于安全的。兩側(cè)無(wú)填土渠內(nèi)滿水工況下底板鋼筋所受到的拉拔力是最大的，通過(guò)對(duì)各型號(hào)L型渠鋼筋拉拔驗(yàn)算結(jié)果可知在水壓力產(chǎn)生的水平拉力下，預(yù)制L型立墻與現(xiàn)澆底板間的錨固鋼筋不會(huì)被拉出。

1.5 造價(jià)分析

對(duì)渠系結(jié)構(gòu)優(yōu)化后與原設(shè)計(jì)進(jìn)行比較分析，基于原填方渠道設(shè)計(jì)提供的渠道長(zhǎng)度，如原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為扣除交叉建筑物的長(zhǎng)度，則比較工況一致；如未扣除，優(yōu)化后的方案從造價(jià)方面考慮則優(yōu)勢(shì)更高。渠系結(jié)構(gòu)優(yōu)化(采用L型渠)后，不僅大幅度降低了項(xiàng)目總投資，還大面積節(jié)省工程占地，帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

2 工況及建筑等級(jí)

2.1 工況

工況1：不考慮凍脹力，渠內(nèi)滿水。

工況2：考慮凍脹力，地基土的凍深為2 m。

工況3：考慮冰壓力，冰厚0.3 m。

工況4：考慮渠外側(cè)填土壓力，渠內(nèi)滿水。

2.2 建筑等級(jí)

水工建筑物等級(jí)為4級(jí)。

3 拼接式矩型渠的數(shù)值模擬分析

為了更真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，考慮到在具體使用時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)為由兩個(gè)相對(duì)而立的L型側(cè)墻部分與一個(gè)位于二者中間的現(xiàn)澆底板共同組成，由此形成一個(gè)完整的“拼接式矩型渠”，所以在建模時(shí)將現(xiàn)澆底板也納入到結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中。L型側(cè)墻部分采用的是C50混凝土，現(xiàn)澆底板部分采用的是C25混凝土?？箖鲂阅懿坏陀贔300[8-10]。

3.1 數(shù)值模擬分析方案

本文建立了三種分析方案以便更好地分析不同工況下L型側(cè)墻與現(xiàn)澆底板之間的相互作用。

(1)方案一：L型側(cè)墻斷面尺寸采用優(yōu)化方案，受力鋼筋的保護(hù)層厚度為25 mm；現(xiàn)澆底板上下布置兩層各15根Φ10鋼筋。預(yù)制的L型側(cè)墻與現(xiàn)澆底板之間僅由上下兩層各15根Φ16鋼筋連接。為模擬現(xiàn)澆混凝土底板澆筑不良的情況，在L型側(cè)墻與現(xiàn)澆底板之間設(shè)置摩擦接觸。

(2)方案二： L型側(cè)墻斷面尺寸采用優(yōu)化方案。結(jié)構(gòu)的鋼筋布置方案同方案一。但在預(yù)制L型渠底部與現(xiàn)澆底板之間留有20 mm縫隙，用以模擬混凝土底板澆筑不佳的情況。

(3)方案三： L型側(cè)墻斷面尺寸采用優(yōu)化方案。結(jié)構(gòu)的鋼筋布置方案同方案一。但預(yù)制L型側(cè)墻底部與現(xiàn)澆底板之間的混凝土及鋼筋整體連接，用以模擬現(xiàn)澆混凝土底板澆筑良好的情況。

3.2 建立有限元模型

3.2.1 幾何模型

模型的結(jié)構(gòu)部分寬度取一個(gè)完整的“拼接式矩型渠”，其長(zhǎng)度取2 m；土體的部分取長(zhǎng)為2 m，寬為2倍結(jié)構(gòu)部分寬度，高為6倍結(jié)構(gòu)部分寬度作為分析計(jì)算單元，幾何模型見圖5。

圖5 拼接式矩型渠幾何模型

3.2.2 有限元模型

(1)L型渠。L型渠共有7200個(gè)單元。長(zhǎng)度方向的網(wǎng)格尺寸長(zhǎng)度取100 mm。

優(yōu)化方案斷面的寬度方向網(wǎng)格尺寸在不同位置處分別取15 mm、40 mm、50 mm；高度方向網(wǎng)格尺寸在不同位置處分別取15 mm、50 mm、130 mm。

(2)現(xiàn)澆底板。現(xiàn)澆底板共有7000個(gè)單元。長(zhǎng)度方向的網(wǎng)格尺寸長(zhǎng)度取100 mm。

優(yōu)化方案斷面的寬度方向網(wǎng)格尺寸在不同位置處分別取60 mm、180 mm；高度方向網(wǎng)格尺寸取15 mm。

(3)地基土。地基土優(yōu)化方案共有27 300個(gè)單元。長(zhǎng)度方向的網(wǎng)格尺寸分別取100 mm; 高度方向的網(wǎng)格尺寸最小取200 mm，最大取2000 mm；與L型渠和現(xiàn)澆底板接觸部分的寬度方向網(wǎng)格尺寸參照L型渠和現(xiàn)澆底板的尺寸長(zhǎng)度。

優(yōu)化方案斷面的L型渠兩側(cè)部分的地基土的寬度方向網(wǎng)格尺寸最小取160 mm，最大取800 mm。

(4)鋼筋。網(wǎng)格尺寸長(zhǎng)度取100 mm。

整體的有限元模型見圖6。

圖6 拼接式矩型渠有限元模型

3.2.3 荷載及約束條件

L型側(cè)墻所受荷載包括自重載荷、渠內(nèi)水壓力、渠兩側(cè)土的凍脹力。土體所受荷載包括自重載荷、頂部所受土壓力。本文僅對(duì)工況1、工況2和工況4進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型外部約束均為面的法向位移約束。

3.2.4 接觸設(shè)置

方案一中L型渠、現(xiàn)澆底板、地基土三者之間的接觸采用面對(duì)面的摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.3。

方案二中L型渠、現(xiàn)澆底板分別與地基土之間的接觸都采用面對(duì)面的摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.3。

方案三中L型渠與現(xiàn)澆底板共同組成的整體與地基土之間的接觸都采用面對(duì)面的摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.3。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 混凝土第一主應(yīng)力

混凝土第一主應(yīng)力在不同方案的云圖，如圖7所示。

圖7 方案一、方案二及方案三混凝土部分第一主應(yīng)力云圖

4.2 鋼筋軸向應(yīng)力

鋼筋軸向應(yīng)力在不同方案的云圖，如圖8所示。

4.3 應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)

基于最不利的荷載工況考慮，本文只給出工況二時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變沿三種路徑的結(jié)果。路徑1、2、3的位置及方向見圖9，應(yīng)力變化見表2、表3。

圖8 方案一、方案二及方案三混凝土部分鋼筋軸向應(yīng)力云圖

圖9 路徑1、2、3的位置及方向示意圖

表2 各方案混凝土與鋼筋的最大應(yīng)力 MPa

表3 各方案L型側(cè)墻及底板的最大應(yīng)力 MPa

5 結(jié) 論

對(duì)應(yīng)于給定的三種工況，在三種數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)分析方案中，以第二種方案所模擬的L型側(cè)墻與現(xiàn)澆底板之間的連接為最弱，完全忽略了預(yù)制L型側(cè)墻與現(xiàn)澆底板之間混凝土的粘結(jié)作用，結(jié)構(gòu)的兩個(gè)組成部分僅依靠上下兩層分布的30根Ф16鋼筋連接。因此，從承載力極限狀態(tài)角度考慮可以認(rèn)為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)是滿足結(jié)構(gòu)使用功能要求的。

原方案結(jié)構(gòu)的斷面尺寸不滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)的抗裂要求，為此對(duì)斷面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，即將原方案中L型渠側(cè)板與底板交接處的圓弧倒角改為三角形倒角。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)橫截面面積與原方案基本相等。

(1)在工況一、工況四情況下，對(duì)應(yīng)于三種數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)分析方案，混凝土及鋼筋的最大拉(壓)應(yīng)力都遠(yuǎn)小于相應(yīng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。說(shuō)明此類工況下結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)裂縫。

(2)在工況二情況下，對(duì)應(yīng)于三種數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)分析方案，混凝土最大拉應(yīng)力都略高于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在L型側(cè)墻側(cè)板外及底板下方、現(xiàn)澆底板下方等區(qū)域附近。L型側(cè)墻底板底部、現(xiàn)澆底板底部最大拉應(yīng)力高于其對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，表明此處會(huì)出現(xiàn)裂縫，裂縫深度約25 mm。該裂縫并沒有貫穿整個(gè)底板，不影響拼接式矩型渠的正常使用。鋼筋的最大應(yīng)力均未超過(guò)其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，鋼筋應(yīng)力最大值集中出現(xiàn)在L型側(cè)墻底板與現(xiàn)澆底板的連接處，其中以結(jié)構(gòu)分析方案二的鋼筋應(yīng)力值(絕對(duì)值)為最大，等于179.4 MPa，表明鋼筋在此工況下沒有出現(xiàn)塑性變形。

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Optimization and numerical simulation analysis of the moment type drainage structure of spliced farmland

SUN Jinglu1,LI Xinxin2,WANG Zhengjun2,ZHANG Bin1,CHANG Junde1

(1.HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China;2.HeilongjiangSeasonalFrozenSoilRegionEngineeringFrozenSoilKeyLaboratory,Harbin150080，China;3.InstituteofHydraulicandElectricEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

The splicing type rectangular channel is composed of three structural units, namely, the left and right L side walls and the cast-in-situ concrete floor, which is a novel prefabricated assembling water conveyance canal,this paper adopts the large finite element analysis software ABAQUS to establish a combined rectangular channel model, simulation and analysis of stress state, L Channel original scheme and optimized in different conditions. The results showed that: from the aspect of the ultimate bearing capacity of state. The normal use of the structure and manufacturing cost, the optimized structure has obvious advantages. It also proved that the optimized scheme has engineering application value. This scheme not only solve the outstanding problems in the project covers an area of large, but also to promote substantive progress in rebuilding and water-saving irrigation system construction.

fabricated aqueduct;L canal;numerical simulation;finite element model

TU375

A

2096-0506(2017)11-0006-07

水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目(201316)

孫景路(1974-)，男，黑龍江富錦人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣こ虄鐾梁秃畢^(qū)水工技術(shù)研究，E-mail：sunjinglu74@163.com。

王正君(1971-)，男，黑龍江賓縣人，教授，主要研究方向?yàn)榻ㄖ牧霞敖Y(jié)構(gòu)檢測(cè)，E-mail：wzjsir@163.com。