洲子山預(yù)應(yīng)力渡槽結(jié)構(gòu)三維有限元分析

胡 宏

(湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410000)

1 槽身結(jié)構(gòu)及計算工況

洲子山渡槽是涔天河灌區(qū)中一座比較有代表性的大流量、長距離渡槽。渡槽全長801m，最大離地高度33m，設(shè)計流量20m3/s，加大流量23m3/s。渡槽采用了預(yù)應(yīng)力槽身，單跨30m，凈寬4.2m，凈高3.6m，混凝土標號為C40。跨中斷面?zhèn)葔穸葹?.3m，底板為0.32m，兩端斷面加厚，側(cè)墻厚為0.5m，底板為0.5m。如圖1所示。縱向預(yù)應(yīng)力體系為10束11φj15.2鋼絞線，采用后張法施工，如圖2所示。

本文擬對洲子山渡槽預(yù)應(yīng)力槽身進行有限元靜力分析。按照相關(guān)規(guī)范要求，擬定四個工況進行計算，分別是：①空槽；②通過設(shè)計流量；③通過加大流量；④滿槽。各工況對應(yīng)的荷載組合見表1。

2 有限元模型

在Midas FEA軟件中進行計算。槽身混凝土采用三維實體單元。對于鋼筋(包括預(yù)應(yīng)力鋼絞線)，在Midas FEA軟件中通過將鋼筋的剛度添加到母單元中的方法進行模擬，這樣的處理有以下幾點需要注意：①鋼筋和母單元之間是完全粘結(jié)沒有相互滑移的；②鋼筋沒有自由度；③鋼筋的應(yīng)變是利用母單元的位移計算得出的。

最終劃分為14838個節(jié)點，47749個單元，如圖3所示。

根據(jù)實際槽身支座的布置情況，對槽身施加如圖4所示的約束，圖中方向為自由活動方向。

圖1 槽身結(jié)構(gòu)圖

圖2 預(yù)應(yīng)力體系圖

表1 荷載組合表

圖3 網(wǎng)格劃分圖

圖4 槽身約束圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 位移分析

預(yù)應(yīng)力體系使得結(jié)構(gòu)的整體剛度變大，相應(yīng)的位移值均較未施加預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)減少較多。本次計算得到的跨中斷面豎向位移值見表2。由表2數(shù)值計算可以得出：在空槽工況下，因預(yù)應(yīng)力反拱作用，跨中斷面豎向位移向上，位移值較?。辉谄渌?種工況中，均為向下位移，位移值均較小。

表2 跨中斷面豎向位移值

3.2 應(yīng)力分析

根據(jù)規(guī)范要求，槽身應(yīng)力需同時滿足正截面抗裂與斜截面抗裂要求。正截面抗裂要求截面混凝土法向應(yīng)力(槽身縱向應(yīng)力)需滿足下式：

σck-σpc≤0

(1)

斜截面抗裂要求槽身主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力滿足如下要求：

σtp-0.85ftk,σcp≤0.6fck，

(2)

典型的主要應(yīng)力云圖如圖5—8所示。

圖5 空槽縱向應(yīng)力云圖

圖6 加大流量縱向應(yīng)力云圖

圖7 空槽主壓應(yīng)力云圖

圖8 加大流量主壓應(yīng)力云圖

3.2.1縱向應(yīng)力

在空槽工況下，大部分槽身縱向應(yīng)力數(shù)值分布在-13.2～1.03MPa。渡槽結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分布在渡槽末端的上邊緣，最大壓應(yīng)力分布在渡槽末端的下邊緣，槽體的內(nèi)表面全部為壓應(yīng)力；在通過設(shè)計流量工況下，大部分槽身縱向應(yīng)力數(shù)值分布在-9.7～-0.25MPa。渡槽結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分布在渡槽末端的上邊緣，最大壓應(yīng)力分布在渡槽末端的下邊緣，槽體的內(nèi)表面全部為壓應(yīng)力；在通過加大流量工況下，大部分槽身縱向應(yīng)力數(shù)值分布在-8.4～-0.72MPa。渡槽結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分布在渡槽末端的上邊緣，最大壓應(yīng)力分布在渡槽末端的下邊緣，槽體的內(nèi)表面全部為壓應(yīng)力；在通過滿槽流量工況下，大部分槽身縱向應(yīng)力數(shù)值分布在-7.1～-1.51MPa。渡槽結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分布在渡槽末端的上邊緣，最大壓應(yīng)力分布在渡槽末端的下邊緣，槽體的內(nèi)表面全部為壓應(yīng)力。

3.2.2主拉應(yīng)力

在空槽工況下，大部分槽身主拉應(yīng)力均在0.09～0.15MPa之間。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處，內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大；在通過設(shè)計流量工況下，大部分槽身主拉應(yīng)力均在0.1～0.21MPa之間。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處，內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大；在通過加大流量工況下，大部分槽身主拉應(yīng)力均在0.15～0.24MPa之間。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處，內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大；在通過加大流量工況下，大部分槽身主拉應(yīng)力均在0.17～0.29MPa之間。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處，內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大。

3.2.3主壓應(yīng)力

在空槽工況下，大部分槽身主壓應(yīng)力均在-11.3～-1.2MPa之間。最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處，內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大；在通過設(shè)計流量工況下，大部分槽身主壓應(yīng)力均在-8.7～-0.5MPa之間。最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處，內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大；在通過加大流量工況下，大部分槽身主壓應(yīng)力均在-7.2～-1.2MPa之間。最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處，內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大；在通過加大流量工況下，大部分槽身主壓應(yīng)力均在-6.6～-1.5MPa之間。最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處，內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大。

4 結(jié)論

(1)槽身在預(yù)應(yīng)力作用下豎向位移顯著減小，但在空槽時會出現(xiàn)反拱。

(2)預(yù)應(yīng)力槽身端部受力情況復(fù)雜，最大及最小縱向應(yīng)力均在此出現(xiàn)，因槽身支座、錨固段也在此設(shè)置，可適當增加厚度。

(3)槽身側(cè)墻與底板相接倒角處應(yīng)力復(fù)雜，可以適當多配置普通鋼筋防止開裂。

(4)根據(jù)有限元受力分析計算結(jié)果，洲子山預(yù)應(yīng)力槽身具有較高的抗彎剛度，較小的整體位移和變形值，較低的應(yīng)力，安全冗余性較高。

綜上所述，洲子山渡槽正常使用工況下變形及各項應(yīng)力控制指標均滿足規(guī)范要求，槽身是安全穩(wěn)定的。