不同結(jié)構(gòu)大跨度梁式渡槽力學(xué)特性對比研究

胡井泉

（凌源市凌河城區(qū)建設(shè)管理辦公室，遼寧 朝陽 122500）

渡槽作為渠系建筑物中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)流、排洪等方面起著不可替代的作用[1]，是農(nóng)田水利建筑物中不可或缺的一部分。應(yīng)用ANSYS軟件設(shè)計并完善渡槽槽身的結(jié)構(gòu)型式及受力特性等，已成為水利工作者研究的重點(diǎn)[2-3]。趙衛(wèi)平[4]發(fā)展并提出了假想彈簧法，對框架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；熊孝波等[5]結(jié)合現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)對某橋樁的基礎(chǔ)進(jìn)行了三維有限元分析，研究了基底土體附加應(yīng)力以及孔隙水壓力分布等規(guī)律；張鵬等[6]建立了車體結(jié)構(gòu)有限元計算模型，并通過APDL程序管理和組織ANSYS命令，初步實現(xiàn)了模型的建立及后處理的全過程，驗證了有限元模型的可實施性。

本文選取凌源新建灌區(qū)工程渡槽水毀修復(fù)工程作為模擬分析對象，利用ANSYS軟件對其受力特性進(jìn)行了研究，分析比較了不同工況條件下的連續(xù)梁渡槽槽身在設(shè)計水深、空槽無水及滿槽水深情況下的受力特征，并與簡支梁結(jié)構(gòu)渡槽槽身進(jìn)行對比分析，得到了連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的最優(yōu)適用條件，為今后相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供數(shù)值參考。

1 模型建立

1.1 基本參數(shù)

選取凌源新建灌區(qū)工程渡槽水毀修復(fù)工程作為數(shù)值分析對象，利用Ansys軟件對渡槽槽身建立三維有限元分析模型。目標(biāo)槽身全長75m，采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，滿槽過水?dāng)嗝娉叽鐬?.2m×1.5m，槽身底坡坡比1∶300，邊墻厚0.35m，底板厚0.25m。底板下沿槽身縱向設(shè)置橫梁，高0.4m，寬0.3m，邊墻兩側(cè)設(shè)置寬0.2m，厚0.3m的肋板。渡槽頂部設(shè)置寬0.65m，厚0.25m的交通橋板，橋邊設(shè)置金屬欄桿。選取面向下游方向為X正向，豎直向上的為模型的Y正向，槽身縱軸向下游方向為Z正向，采用三維結(jié)構(gòu)對槽身進(jìn)行靜力學(xué)分析，非線性接觸模型進(jìn)行數(shù)值模擬，完成對結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)計算。

1.2 模型處理

利用軟件建立模式時，首先利用其他軟件完成模型框架的繪制，然后利用Ansys軟件與CAE建模軟件的接口，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys軟件中并對特定的面進(jìn)行編組即可完成模型的繪制[7]。將幾何模型利用網(wǎng)格劃分為節(jié)點(diǎn)及單元，以便于有限元模型的分析計算，其劃分效果如圖1，模型可劃分為38532個單元。

圖1 槽身有限元模型

1.3 模型受力來源

作用于槽身上的力主要來自于槽內(nèi)水重、靜水壓力、風(fēng)壓力及人群荷載等，其中靜水壓力計算公式[8]：

式中γ為水的容重，h為水深。

橫槽方向作用于渡槽表面的風(fēng)壓力可用風(fēng)荷載強(qiáng)度W（kN/m2）乘橫向風(fēng)力受風(fēng)面積表示，W計算公式：

式中βz為z高度處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μt為地形條件系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓（kN/m2）。

2 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)渡槽槽身力學(xué)特性

槽身荷載的來源較為廣泛，結(jié)合渡槽的實際運(yùn)行要求，對渡槽的荷載進(jìn)行分類，得到3個基本工況：自重+側(cè)向風(fēng)壓+滿槽水重；自重+側(cè)向風(fēng)壓+人群荷載+設(shè)計水重；自重+側(cè)向風(fēng)壓+人群荷載。

2.1 工況1槽身應(yīng)力分析

將槽身由中間分為兩部分，第1段范圍為左邊支座至左邊數(shù)第一個跨中，第2段范圍為左邊數(shù)第一個跨中至左邊數(shù)第二個跨中。

圖2 工況1槽身位移及受力

連續(xù)梁結(jié)構(gòu)槽身位移及受力如圖2。由圖2可知，渡槽在承受風(fēng)力荷載、自重及滿槽水重時的運(yùn)行情況已屬于極限狀態(tài)，中間跨跨中最大豎向位移值0.62cm，槽身兩邊跨跨中最大位移值0.65m，兩者相差不大。底板下橫向肋板下邊緣出現(xiàn)最大橫向拉力，為0.35MPa，而水平X向的最大壓應(yīng)力0.72MPa，由此說明底板內(nèi)拉應(yīng)力可被底板下橫向肋板顯著減小。第1段頂部交通橋板上邊緣出現(xiàn)最大軸向拉應(yīng)力2.23MPa，槽身兩個底梁的邊緣出現(xiàn)最大軸向拉應(yīng)力，數(shù)值大小為2.79MPa，從圖2應(yīng)力分布可得，中和軸出現(xiàn)在邊墻與底墻交界處，支座附近的各項應(yīng)力值都比較大，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)加固。第2段底板水平X向最大拉應(yīng)力0.8MPa，最大壓應(yīng)力0.63MPa，最大軸拉應(yīng)力出現(xiàn)在槽身中間支座頂部交通板上部，數(shù)值大小為7.65MPa，支座處各項應(yīng)力值較大，應(yīng)采取有效措施對其進(jìn)行加固處理。

2.2 工況2槽身應(yīng)力分析

連續(xù)梁結(jié)構(gòu)工況2槽身位移及其受力如圖3。由圖3可知，在承受結(jié)構(gòu)自重、水重及人群荷載情況下，工況2仍屬正常運(yùn)行。槽身中間跨跨中最大位移值大小為0.58cm，而兩邊跨跨中出現(xiàn)最大豎向位移值，為0.65m。底板水平X向最大壓應(yīng)力0.53MPa，最大拉應(yīng)力0.55MPa，底板下橫向肋板下邊緣出現(xiàn)邊跨水平X向最大拉應(yīng)力，數(shù)值大小為0.88MPa。第1段中間支座槽身兩底梁下邊緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，大小為7.13MPa，中和軸仍然出現(xiàn)在邊墻與底板交界處，底座各結(jié)構(gòu)受力都較大，應(yīng)對其采取加固措施。第2段底板下橫向肋板邊緣出現(xiàn)最大水平X向拉應(yīng)力，為0.98MPa，底板X向最大壓應(yīng)力0.53MPa，最大軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在中間支座頂部交通板上邊緣，為6.59MPa。中和軸出現(xiàn)在邊墻與底板交界處，支座受力較大，應(yīng)對其采取加固措施。

圖3 工況2槽身位移及其受力

2.3 工況3槽身應(yīng)力分析

工況3承受結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載及交通人群荷載，屬于槽無水運(yùn)行狀態(tài)。對槽身進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)中間跨的最大位移值為0.37cm，邊跨豎向的最大位移值為0.44cm。底板下橫向肋板出現(xiàn)邊跨水平X向最大拉應(yīng)力0.35MPa，底板水平X向最大壓應(yīng)力0.30MPa，最大拉應(yīng)力0.23MPa。

連續(xù)梁結(jié)構(gòu)工況3槽身位移及受力如圖4，第1段槽身兩底梁下邊緣出現(xiàn)最大軸向拉應(yīng)力1.82MPa，頂部交通板出現(xiàn)最大壓應(yīng)力4.88MPa，中和軸出現(xiàn)在邊墻與底板交界處，支座受力較大，應(yīng)著重加固。

圖4 工況3槽身位移及受力

第2段中間跨底板下橫向肋板出現(xiàn)水平X向最大拉應(yīng)力0.44MPa，底板水平X向最大壓應(yīng)力0.20MPa，最大拉應(yīng)力0.23MPa。在中間支座槽身底梁出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，為6.4MPa，頂部交通板出現(xiàn)最大軸向拉應(yīng)力，大小為5.15MPa，支座各項應(yīng)力值較大，應(yīng)對其進(jìn)行重點(diǎn)加固。

3 簡支梁結(jié)構(gòu)渡槽槽身力學(xué)特性及結(jié)果分析

3.1 簡支梁結(jié)構(gòu)槽身力學(xué)特性

選取簡支梁結(jié)構(gòu)渡槽作為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)渡槽的對比，其斷面、荷載及跨度大小均與連續(xù)梁結(jié)構(gòu)相同，考察兩種工況條件下渡槽槽身受力及其位移的影響。簡支梁結(jié)構(gòu)工況1槽身位移及受力如圖5。

圖5 簡支梁結(jié)構(gòu)工況1槽身位移及受力

工況1中槽身承受滿槽水重、風(fēng)力荷載及槽身自重，屬極限運(yùn)行狀態(tài)，槽身跨中出現(xiàn)最大位移值0.82cm，底板下橫向肋板下邊緣出現(xiàn)X向最大拉應(yīng)力1.21MPa，最大壓應(yīng)力0.88MPa，說明橫向肋板在減小底板內(nèi)拉應(yīng)力方面具有顯著效果。頂部交通板上邊緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力7.53MPa，而最大軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在槽身兩底梁邊緣，為2.88MPa，支座各處所受應(yīng)力值較大，應(yīng)對其進(jìn)行重點(diǎn)加固。

工況2渡槽既承受來自側(cè)墻水平向靜水壓力、灌溉用水流量引起的水重及結(jié)構(gòu)自重的荷載，又要承受風(fēng)荷載及交通人員的荷載，屬正常運(yùn)行狀態(tài)。槽身豎向最大位移為0.77cm，底板水平X向最大拉應(yīng)力0.60MPa，最大壓應(yīng)力0.59MPa，出現(xiàn)在底板下橫向肋板下邊緣。頂部交通橋板上邊緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力7.21MPa，最大軸向拉應(yīng)力2.55MPa，支座處各項應(yīng)力值均較大，應(yīng)對其進(jìn)行重點(diǎn)加固。

工況3屬渡槽無水運(yùn)行狀態(tài)，槽身跨中出現(xiàn)最大豎向位移值0.55cm，底板下橫向肋板出現(xiàn)最大水平X向拉應(yīng)力0.41MPa，水平壓應(yīng)力0.48MPa。槽身兩底梁出現(xiàn)最大軸向拉應(yīng)力1.98MPa，頂部交通板出現(xiàn)最大壓應(yīng)力5.21MPa，支座處所受各項應(yīng)力值最大，應(yīng)采取有效措施進(jìn)行加固處理。

3.2 計算結(jié)果

通過對連續(xù)梁結(jié)構(gòu)槽身與簡支梁結(jié)構(gòu)槽身進(jìn)行有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，在兩種工況條件下，渡槽槽身產(chǎn)生的豎向位移與應(yīng)力值都比較大，相比簡支梁結(jié)構(gòu)，連續(xù)梁在結(jié)構(gòu)受力方面具備更加明顯的特點(diǎn)。由表1渡槽結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果對比分析，連續(xù)梁結(jié)構(gòu)渡槽拉桿受力主要來自結(jié)構(gòu)自重及荷載的軸向拉應(yīng)力，力的作用較小，較大的應(yīng)力只發(fā)生在局部，而結(jié)構(gòu)側(cè)面承受的風(fēng)荷載對其整體應(yīng)變、應(yīng)力影響較小，從結(jié)構(gòu)位移及水平向應(yīng)力角度分析，為了減少側(cè)向扭轉(zhuǎn)引起的槽身晃動，需在槽身處設(shè)置橫向拉桿。

表1 受力計算結(jié)果對比 單位：MPa

對連續(xù)梁和簡支梁結(jié)構(gòu)槽身的豎向位移值進(jìn)行分析對比，得到如表2渡槽結(jié)構(gòu)豎向位移計算結(jié)構(gòu)對比，連續(xù)梁結(jié)構(gòu)邊跨的最大位移值要大于中間跨的最大位移值，說明連續(xù)梁結(jié)構(gòu)渡槽槽身在降低結(jié)構(gòu)豎向位移方面效果較為明顯，整體性較好。

表2 豎向位移計算結(jié)構(gòu)對比 單位：cm

4 結(jié)語

（1）分別對槽身在不同荷載情況下的受力及位移特性進(jìn)行了研究分析，得到了在不同工況條件下槽身的受力情況，發(fā)現(xiàn)在較大自重荷載作用下，渡槽槽身需要采取加固措施，以防拉應(yīng)力過大毀壞槽身。

（2）選取具有相同槽身斷面及跨度的簡支梁結(jié)構(gòu)渡槽作為對比，研究了梁式渡槽結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，并對其所受應(yīng)力進(jìn)行了模擬計算，發(fā)現(xiàn)簡支梁結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力值要大于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，渡槽槽身產(chǎn)生的豎向位移值也大于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，可在確?；A(chǔ)穩(wěn)定的條件下優(yōu)先選擇連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

[1]曹榮東.自貢市嗅水河渡槽施工支架設(shè)計與施工[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2016，24（1）：99-102.

[2]劉愛華，楊清，吳均平.ANSYS三維地應(yīng)力場數(shù)值模擬方法應(yīng)用研究[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2013，19（2）：133-142.

[3]楊偉.輸水工程大跨度現(xiàn)澆拱式渡槽施工技術(shù)[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2016，24（5）：119-122.

[4]趙衛(wèi)平.基于ANSYS接觸分析的粘結(jié)—滑移數(shù)值模擬[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2011，28（2）：44-51.

[5]熊孝波，桂國慶，鄭明新，等.基于ANSYS的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)值模擬分析 [J].地下空間與工程學(xué)報，2009，5（S1）：1298-1305.

[6]張鵬，馬玉清.用ANSYS實現(xiàn)二維翼型風(fēng)洞試驗數(shù)值模擬[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008（2）：570-574.

[7]沈鳳生.特大型輸水工程跨河梁式渡槽若干關(guān)鍵技術(shù)問題探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2014（1）：1-4.

[8]鞏正璽.引洮工程總干渠渡槽槽身外保溫系統(tǒng)設(shè)計與施工技術(shù)要求[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2014（7）：76-79.