基于Ansys的裝配式農(nóng)田水渠最優(yōu)尺寸研究

馮佳佳，程 博，曹 洋，劉曉靜

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

我國(guó)水資源分布極不平衡，小型農(nóng)田水利工程是節(jié)約水資源工作的重要組成部分，對(duì)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)具有重要的保障作用[1- 4]。洪曉林等[5]研究總結(jié)，自1993年國(guó)家科技委員會(huì)把“農(nóng)田水利裝配式建筑物技術(shù)”列為國(guó)家級(jí)科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃以來(lái)，我國(guó)在農(nóng)田水利裝配式建筑物技術(shù)的研究和推廣上做了大量工作，已經(jīng)取得豐碩成績(jī)。標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件和高度工廠化生產(chǎn)是裝配式結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)之一[6- 9]，裝配化的設(shè)計(jì)可提高渠道的生產(chǎn)和施工質(zhì)量，在多地已有應(yīng)用[10- 18]。但目前各地所采用的裝配式農(nóng)田水渠形狀、尺寸各不相同，而且對(duì)于小型田間建筑物的研究不多，導(dǎo)致農(nóng)田水利工程整體裝配化率不高，因此完善裝配式農(nóng)田水利建筑物研究、尤其是小型田間建筑物更有利于發(fā)揮裝配式技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

鑒于以上狀況，本文以南京市浦口區(qū)2014年農(nóng)田水利重點(diǎn)片區(qū)三合圩裝配化示范區(qū)工程為背景，提出兩種小型農(nóng)田水渠的結(jié)構(gòu)形式，在初選多種渠道厚度方案的基礎(chǔ)上，使用有限元分析軟件Ansys劃分線彈性體六面等參單元，以渠道及地基部分為對(duì)象建立模型，基于模型模擬分析計(jì)算渠道位移與變形以及各部分應(yīng)力，最終選出最優(yōu)渠道厚度設(shè)計(jì)方案。

1 技術(shù)參數(shù)與工程實(shí)測(cè)資料

本研究區(qū)中(南京市三合圩裝配化示范區(qū))，各灌溉站設(shè)計(jì)流量均為0.22m3/s；根據(jù)示范區(qū)田間工程布局與田塊劃分，確定支渠設(shè)計(jì)流量為0.22m3/s；斗渠分兩種，斗渠1的設(shè)計(jì)流量為0.055m3/s，斗渠2的設(shè)計(jì)流量為0.11m3/s。裝配式渠道采用輕骨料、細(xì)石混凝土等混凝土材料，所采用的混凝土材料中基料為C25細(xì)石混凝土，抗?jié)B等級(jí)為W4。計(jì)算中按C25混凝土取值，彈性模量E為2.8×104N/mm2，泊松比v為0.17，密度為2.5×10-9t/mm3。場(chǎng)區(qū)為粉質(zhì)粘土，泊松比為v=0.25～0.35，彈性模量E為8～10N/mm2。計(jì)算中取為中間值，即E=9.0N/mm2，v=0.3，土的天然容重γ取18.5×10-6N/mm3。渠道安裝前，地基均已完成沉降，因而在計(jì)算中不考慮地基的密度。

2 初擬結(jié)構(gòu)形式與尺寸

斗渠采用U型截面，如圖1所示。斗渠分節(jié)長(zhǎng)度為500mm，分節(jié)間留10mm伸縮縫并采取防漏措施，渠身高400mm或500mm，結(jié)構(gòu)總寬為708mm或880mm，總高為460mm或560mm。渠身為工廠整體預(yù)制，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行施工。

圖1 U型斗渠結(jié)構(gòu)示意圖

支渠采用矩形截面，由底板、側(cè)墻及橫撐組成，底板與側(cè)墻裝配形成渠身，側(cè)墻頂部由橫撐約束側(cè)向變形，如圖2所示。支渠底板與側(cè)板均為分節(jié)長(zhǎng)度為1000mm，分節(jié)間留10mm伸縮縫并采取防漏措施，側(cè)墻與底板錯(cuò)開(kāi)安裝。側(cè)板高800mm，下部以榫頭形式插入底板。各部件在工廠內(nèi)分別預(yù)制，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)裝配后再進(jìn)行施工。渠道型號(hào)與厚度尺寸見(jiàn)表1。

圖2 矩形支渠渠結(jié)構(gòu)示意圖

渠道方案名稱型號(hào)側(cè)板厚/mm底板厚/mm底板寬/mm460mm高U型斗渠560mm高U型斗渠矩形支渠方案一U460×505060300方案二U460×404050290方案三U460×303040280方案四U560×606060300方案五U560×505050290方案六U560×404040280方案一R800×8080100850方案二R800×707090840方案三R800×606080830

3 荷載與工況分析

未通水時(shí)渠身受到自重作用以及兩側(cè)的土壓力作用，通水時(shí)渠身還受到渠內(nèi)水體的作用力，因此應(yīng)針對(duì)是否通水分別進(jìn)行荷載分析。此外，U型渠側(cè)板頂部還受到壓頂?shù)淖灾刈饔?，?jīng)過(guò)計(jì)算，壓頂自重引起的內(nèi)力與土壓力引起的內(nèi)力相互抵消，因此分析U型渠未通水工況時(shí)不考慮頂部壓重，即按土方回填已完成，但尚未安裝時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行分析。按照運(yùn)行期有水和完建期無(wú)水情況分類，對(duì)6種尺寸厚度的U型渠共需計(jì)算12種工況，對(duì)3種尺寸厚度的矩形渠共需計(jì)算6種工況，全部共計(jì)18種計(jì)算工況。

4 有限元計(jì)算

4.1 建立模型

對(duì)U型渠，取伸縮縫間490mm長(zhǎng)的渠身結(jié)構(gòu)與地基建立模型。對(duì)矩形支渠，取三段完整底板(順?biāo)较?000mm)及相應(yīng)范圍內(nèi)的側(cè)板與地基建立分析模型。兩模型以渠道寬度方向?yàn)閤軸，渠道長(zhǎng)度方向?yàn)閥軸，高度方向?yàn)閦軸，原點(diǎn)取為渠道端部截面底板底面對(duì)稱軸位置。地基深度取為渠道結(jié)構(gòu)總高3倍范圍，地基寬度取渠道底板寬度5倍范圍。模型中，采用線彈性6面體等參單元模擬渠道結(jié)構(gòu)與地基。渠向結(jié)構(gòu)材料的彈性模量取E=2.8×104N/mm2，泊松比取v=0.17，密度ρ取2.5×10-9t/mm3。渠道周圍土體按粉質(zhì)粘土考慮，對(duì)側(cè)板的作用力按主動(dòng)土壓力計(jì)算，主動(dòng)土壓力系數(shù)取k=0.376，土體天然容重取γ取18.5×10-6N/mm3。

4.2 應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果

4.2.1 位移與變形

將各工況下兩種裝配式渠道的沉降位移與變形、結(jié)構(gòu)主應(yīng)力的有限元計(jì)算結(jié)果最大值匯總見(jiàn)表2、3。其中，沉降位移即渠道底板底面的豎向位移中負(fù)號(hào)表示位移方向向下；豎向變形為側(cè)板頂面與底板底面的豎向位移差，正值表示渠身豎向拉長(zhǎng)，負(fù)值表示渠向豎向壓縮；橫向變形為側(cè)板頂面的橫向位移，正值表示渠道側(cè)板發(fā)生向外的彎曲變形，呈“張開(kāi)”趨勢(shì)，負(fù)值表示渠道側(cè)板發(fā)生向內(nèi)變形，呈“閉合”趨勢(shì)。

表2 各工況U型斗渠的沉降位移與變形

表3 各計(jì)工況矩形支渠的沉降位移與變形

由表2、3中計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：各工況渠道均發(fā)生了方向向下的沉降位移，水體自重較大，運(yùn)行期工況渠身結(jié)構(gòu)發(fā)了較為明顯的沉降位移。但完建期渠身結(jié)構(gòu)的沉降位移不明顯。由于水壓的影響，運(yùn)行期渠道結(jié)構(gòu)的沉降位移明顯大于完建期。

對(duì)于U型渠而言，隨著側(cè)板與底板厚度的減小，結(jié)構(gòu)自重減小，沉降位移也相應(yīng)減小。渠道側(cè)板方向傾斜，因而在土壓力與水壓力作用下不僅發(fā)生橫向變形，也發(fā)生了較明顯的豎向變形，其中土壓力在側(cè)板上存在豎直向上的荷載分量，導(dǎo)致渠身結(jié)構(gòu)在豎直方向上被拉長(zhǎng)。完建期工況僅受土壓力作用時(shí)，引起的豎向變形可完全抵消自重產(chǎn)生的豎向壓縮變形，使得渠身表現(xiàn)出豎向被拉長(zhǎng)的變形形態(tài)。隨著側(cè)板與底板厚度的減小，結(jié)構(gòu)自重引起的豎向壓縮變形越小，該效應(yīng)也越明顯。因而當(dāng)側(cè)板、底板厚度取值過(guò)小時(shí)，需注意回填土?xí)r對(duì)渠身造成損壞，甚至渠道被“擠出”。

對(duì)于矩形渠而言，隨側(cè)板厚度的減小，結(jié)構(gòu)自重也減小，其沉降位移逐漸減小。剛度隨側(cè)板厚度的減小而減小，其橫向變形逐步增大。在運(yùn)行期水重的作用下，渠道沉降位移大于完建期的數(shù)值。運(yùn)行期工況，側(cè)板的相對(duì)向內(nèi)變形更大，這是因?yàn)樗刈饔孟碌装灏l(fā)生了彎曲變形，使得側(cè)板發(fā)生了向內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。該轉(zhuǎn)動(dòng)變形抵消了水壓引起的側(cè)板的向外的變形。

4.2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

(1)U型渠結(jié)構(gòu)應(yīng)力

總體來(lái)看，隨側(cè)板及底板厚度的減小，渠道結(jié)構(gòu)最大拉主應(yīng)力與最大壓主應(yīng)力均呈增大趨勢(shì)。由于水壓力的影響，運(yùn)行期渠道結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力明顯大于完建期主應(yīng)力。460mm高斗渠最大拉主應(yīng)力為0.909N/mm2，最大壓主應(yīng)力為1.172N/mm2，均發(fā)生于工況1-6；560mm高斗渠最大拉主應(yīng)力為1.253N/mm2，最大壓主應(yīng)力為1.309N/mm2，均發(fā)生于1-12工況。渠道安全級(jí)別為III級(jí)，以C25混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27N/mm2考慮，結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力應(yīng)不大于1.10N/mm2。表4計(jì)算結(jié)果顯示，初設(shè)方案中所有結(jié)構(gòu)尺寸均安全。因此，460mm高斗渠側(cè)板厚最低可取30mm；560mm高斗渠側(cè)板最低可取50mm。

表4 各工況U型渠最大主拉應(yīng)力

(2)矩形渠結(jié)構(gòu)應(yīng)力

U型渠為整體式裝配式結(jié)構(gòu)，但矩形渠是有底板、側(cè)墻、橫撐以及鎖扣等構(gòu)件組合而成的裝配式結(jié)構(gòu)，因此在有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上分別對(duì)各部分構(gòu)件的應(yīng)力進(jìn)行歸納總結(jié)，將各工況下應(yīng)力計(jì)算值匯總見(jiàn)表5、6。

表5 矩形支渠各部位拉應(yīng)力最大值單位：N/mm2

表6 矩形支渠各部位壓應(yīng)力最大值單位：N/mm2

可以看出：底板底面受拉，頂面受壓，完建期工況底板跨中區(qū)域應(yīng)力大，兩端應(yīng)力小，運(yùn)行期工況相對(duì)比較均勻，隨底板厚度的減小，底板內(nèi)應(yīng)力越來(lái)越大。

側(cè)板大部分區(qū)域內(nèi)應(yīng)力水平不高，由于有限元模型難以直接考慮螺栓作用，橫撐安裝處發(fā)生了應(yīng)力集中，側(cè)板應(yīng)力被高估。導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果側(cè)板內(nèi)應(yīng)力水平較高，工況3到6拉主應(yīng)力部分超出了C25混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。完建期工況拉主應(yīng)力隨板厚減小而增大，但運(yùn)行期工況相反。隨板厚的減小，壓主應(yīng)力變大。橫撐拉主應(yīng)力最大值較大，各工況最大拉主應(yīng)力均超出了C25混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。完建期工況，橫撐應(yīng)力隨板厚的減小而增大，運(yùn)行期工況變化不明顯。拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在與側(cè)板連接處的外端，且拉應(yīng)力水平較高。這是由于有限元計(jì)算中忽略了螺栓，簡(jiǎn)化為橫撐與側(cè)板直接連接，造成了應(yīng)力集中位置的變化。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，應(yīng)按螺栓受力重新分析橫撐兩端的受力狀態(tài)，并校核承載力是否滿足要求。

5 裝配式渠道方案優(yōu)選

5.1 U型裝配式渠道分析與優(yōu)選

完建期側(cè)板呈“閉合”變形趨勢(shì)，運(yùn)行期側(cè)板呈“張開(kāi)”變形趨勢(shì)。隨板厚的減小，側(cè)板橫向變形增大。渠道豎向被拉長(zhǎng)，板厚較小時(shí)更為明顯，甚至還會(huì)出現(xiàn)被“擠出”的位移趨勢(shì)。主應(yīng)力主要分布于側(cè)板中下部，底板內(nèi)應(yīng)力也較大。最大應(yīng)力出現(xiàn)于側(cè)板與底板交界處，以及底板對(duì)稱軸處頂面與底面。側(cè)板與底板交界處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但程度不劇烈。

通過(guò)Ansys模擬計(jì)算的不同工況下各個(gè)設(shè)計(jì)方案的位移、變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果可以看出：僅從強(qiáng)度角度出發(fā)，460mm高斗渠側(cè)板厚度最低可優(yōu)化至30mm，560mm高斗渠側(cè)板厚度最低可優(yōu)化至50mm。若通過(guò)摻入纖維可將混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值提高至1.45N/mm2以上，560mm高斗渠側(cè)板可優(yōu)化為40mm。

綜合以上對(duì)于U型裝配式渠道有限元分析，并結(jié)合渠道防滲要求，研究區(qū)斗渠1和農(nóng)渠最終選取具有一定安全富余的方案1中的設(shè)計(jì)尺寸，即：渠道凈深400mm(不含壓頂)，總深460mm，口寬600mm，渠底弧面半徑0.3m，圓弧中心角134°，斷面形狀為“低腳杯”型。渠道斷面?zhèn)缺诤?0mm，底板厚度60mm，單節(jié)長(zhǎng)度為0.495m。農(nóng)渠和斗渠1采用U型斷面，輸水能力Q為0.059m3/s，大于斗渠1的設(shè)計(jì)流量0.055m3/s，渠道斷面滿足灌區(qū)需求，此時(shí)平均流速為0.40m/s。斗渠2最終選取具有一定安全富余的方案5中的設(shè)計(jì)尺寸，即：渠道凈深500mm(不含壓頂)，總深560mm，口寬700mm，渠底弧面半徑0.35m，圓弧中心角134°，斷面形狀為“低腳杯”型。渠道斷面?zhèn)缺诤?0mm，底板厚度50mm，單節(jié)長(zhǎng)度為0.495m。

5.2 矩形裝配式渠道分析與優(yōu)選

完建期與運(yùn)行期，矩形支渠均呈“閉合”變形趨勢(shì)，隨板厚的減小，側(cè)板橫向變形增大。底板應(yīng)力較小，不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞，其厚度可減至80mm，但應(yīng)滿足其他構(gòu)造要求。側(cè)板大部分區(qū)域應(yīng)力水平較低，但鎖扣端“榫頭”根部的拉應(yīng)力較大，將導(dǎo)致強(qiáng)度破壞?？梢栽阪i扣部分通過(guò)添加纖維或該部分采用高強(qiáng)度的混凝土等措施將混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值提高，80mm厚側(cè)板可不發(fā)生破壞。若側(cè)板兩端均以橫撐代替鎖扣，應(yīng)可避免側(cè)板強(qiáng)度破壞，按現(xiàn)有計(jì)算結(jié)果推算側(cè)板厚可減至60mm。側(cè)板變形與鎖扣間發(fā)生擠壓，導(dǎo)致鎖扣發(fā)生明顯應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致鎖扣兩側(cè)破壞。若必須采用鎖扣，建議改變鎖扣形式，僅保留其頂部，而去除其兩側(cè)部分。橫撐應(yīng)力較小，可滿足使用要求，但實(shí)際工程中，需要驗(yàn)算是否足夠承擔(dān)人群荷載，或考慮其他使用狀態(tài)。螺栓受力不大，設(shè)計(jì)時(shí)除考慮螺栓強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮是否會(huì)引起周圍混凝土材料的破壞。

綜合裝配式矩形渠的有限元分析，最終研究區(qū)內(nèi)裝配式矩形渠選擇方案1中的尺寸。即：渠內(nèi)凈尺寸(寬×深)為600mm×800mm，側(cè)板厚度為80mm，底板厚度為100mm，底板寬度為850mm。順?biāo)鞣较騿喂?jié)長(zhǎng)度為990mm，每?jī)晒?jié)預(yù)制渠道之間要設(shè)一道橫撐，橫撐中間邊墻和邊墻之間分縫處采用鎖扣連接，保證兩節(jié)渠道邊墻的整體性。根據(jù)計(jì)算：對(duì)于支渠，采用矩形斷面，寬為0.6m，高為0.8m，則輸水能力Q為0.237m3/s，大于設(shè)計(jì)流量0.22m3/s。渠道斷面尺寸滿足灌區(qū)設(shè)計(jì)需求，此時(shí)的渠道平均流速為0.52m3/s。

6 結(jié)論與建議

采用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，主要優(yōu)化對(duì)象是結(jié)構(gòu)形式以及結(jié)構(gòu)尺寸厚度。本文對(duì)裝配式矩形渠和裝配式U型渠進(jìn)行了厚度上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，裝配式渠道尺寸在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，與常規(guī)農(nóng)田水利渠道設(shè)計(jì)相比，經(jīng)過(guò)有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算的裝配式渠道更加經(jīng)濟(jì)、更能夠適應(yīng)預(yù)制、運(yùn)輸以及安裝的過(guò)程，達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。

在研究過(guò)程中，筆者認(rèn)為在以下方面還需進(jìn)一步深入研究和改進(jìn)：

(1)由于復(fù)合材料可以有效降低構(gòu)件重量、提高防滲性能，而且安裝過(guò)程不易產(chǎn)生構(gòu)件破損，所以今后的研究和設(shè)計(jì)中還可以研發(fā)其他多種復(fù)合材料，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定配比和相關(guān)力學(xué)參數(shù)后應(yīng)用到渠道設(shè)計(jì)中來(lái)，使渠道滿足強(qiáng)度和防滲要求的同時(shí)減小厚度取值。

(2)由于裝配化率的提高有助于進(jìn)一步發(fā)揮裝配化的優(yōu)勢(shì)，所以應(yīng)對(duì)于農(nóng)田水利工程中其他具備裝配化和序列化的渠系建筑物亟待進(jìn)行裝配化設(shè)計(jì)，克服小型田間建筑物面廣量大給施工帶來(lái)的不便。