滇中引水工程董家村渡槽結(jié)構(gòu)靜力分析

劉黎明，張家銳

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

0 前 言

渡槽又稱高架渠，是由橋梁、隧道或溝渠構(gòu)成的架空水槽，是引水工程中常用的建筑物。渡槽結(jié)構(gòu)靜力分析建立不同形式模型的研究手段主要有兩種，為三維有限元法和解析法[1]。為分析董家村渡槽正常運(yùn)營(yíng)過程的強(qiáng)度和剛度，本文采用三維有限元分析法，建立董家村渡槽模型，然后對(duì)正常運(yùn)行時(shí)渡槽槽體的主應(yīng)力、迎水面應(yīng)力和位移進(jìn)行分析，從而校核董家村渡槽的強(qiáng)度與剛度安全。

近年來，在渡槽結(jié)構(gòu)靜力分析研究中，取得的成果如下所示：王森林等[2]采用有限單元法對(duì)洺河渡槽進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力分析，得到了槽身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布情況。潘旦光等[3]用解析法對(duì)半橢圓形薄殼渡槽進(jìn)行內(nèi)力分析，提出了一種無橫拉桿的渡槽結(jié)構(gòu)形式，然后進(jìn)行公式推導(dǎo)，以計(jì)算薄殼渡槽的內(nèi)力。彭華等[4]采用三維有限元法分析了大型上承式桁架拱渡槽后，采用局部加大處理的方式更好地解決拱腳壓應(yīng)力大的問題。高小翠等[5]采用有限元法分析了大型預(yù)應(yīng)力混凝土箱式渡槽，得到合理布置渡槽預(yù)應(yīng)力錨索可以滿足渡槽的應(yīng)力變形的結(jié)論。牛賀道等[6]對(duì)U型薄殼渡槽進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，該種渡槽的變形小且應(yīng)力分布均勻。李宗坤等[7]對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的有限元模型，然后進(jìn)行計(jì)算分析，并提出合理的結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整措施。曹廣德等[8]針對(duì)U形薄殼渡槽槽身的應(yīng)力變形問題，采用了三維非協(xié)調(diào)強(qiáng)化假定應(yīng)變等參單元求解的方法，對(duì)渡槽槽身某截面的約束內(nèi)力進(jìn)行了直接求解，并對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行了探討。姚威等[9]運(yùn)用有限元法對(duì)某預(yù)應(yīng)力渡槽進(jìn)行的仿真分析，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案能滿足規(guī)范要求。蔣兵[10]通過對(duì)新疆某預(yù)應(yīng)力渡槽的分析，得出了有效提高槽身抗變形能力和力學(xué)性能的方法。胡淦等[11]使用ANSYS對(duì)大型通航渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)為渡槽槽身結(jié)構(gòu)在動(dòng)靜力作用下，槽身部分區(qū)域需要優(yōu)化，合理布置縱向抗拉鋼筋可解決跨拉應(yīng)力較大的問題。

1 工程概況

本文選取了董家村渡槽的典型跨度為研究對(duì)象。董家村渡槽設(shè)計(jì)流量120 m3/s，槽身全長(zhǎng)238.943 m，槽身為簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力C50混凝土結(jié)構(gòu)，三箱矩形斷面型式，共計(jì)8跨，其中槽身跨度30 m的共7跨，槽身跨度28.943 m的共一跨。斷面凈尺寸(3～5) m×4.2 m，底板厚0.5 m，邊墻及中墻厚0.6 m，拉桿尺寸為0.3 m×0.4 m，間距2.5 m，底肋斷面尺寸為0.5 m×0.9 m，間距2.5 m，邊、中墻頂翼緣兩側(cè)均設(shè)欄桿，保護(hù)檢修人員安全。渡槽共布置7個(gè)中墩、2個(gè)邊墩。槽墩采用C25鋼筋混凝土實(shí)心墩，高度為6.4～8.4 m，中墩最大截面尺寸19.44 m×4.34 m，墩帽平面尺寸19.8 m×4.7 m，高2 m。柱墩基礎(chǔ)采用C25鋼筋混凝土，基礎(chǔ)平面尺寸23.54 m×8.44 m，高2 m。

2 分析條件與模型

2.1 材料參數(shù)

董家村渡槽材料設(shè)計(jì)參數(shù)等如表1所示。

表1 董家村渡槽材料參數(shù)表

2.2 有限元建模

董家村渡槽是三維實(shí)體預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，本文采用三維等參單元模擬了槽身混凝土和槽墩，采用桿單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用剛桿單元和板殼單元模擬支座。董家村渡槽有限元整體模型如圖1所示。

圖1 董家村渡槽有限元模型圖

其中，槽身混凝土共有78 329個(gè)單元，預(yù)應(yīng)力鋼絞線及預(yù)應(yīng)力鋼筋共有16 830個(gè)單元，槽墩混凝土共有19 326個(gè)單元，支座共有1 424個(gè)單元。共有單元121 329個(gè)單元，126 842個(gè)節(jié)點(diǎn)，380 526個(gè)自由度。整體坐標(biāo)系以槽體縱斷面中心線與槽墩橫斷面中心線的交點(diǎn)為原點(diǎn)，x為橫槽向，y為豎直方向，z為順槽向。

2.3 工況組合

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)的要求，本文選取了正常運(yùn)營(yíng)時(shí)的兩個(gè)基本靜力工況組合，如表2所示。其中：荷載組合1是夏天運(yùn)營(yíng)工況，主要的荷載有自重、水荷載、風(fēng)荷載、人群荷載和溫升；荷載組合2是冬天運(yùn)營(yíng)工況，主要的荷載有自重、水荷載、風(fēng)荷載、人群荷載和溫降。

表2 董家村渡槽靜力工況組合

3 計(jì)算結(jié)果分析

在上述計(jì)算條件和有限元模型下，分析了每個(gè)工況組合荷載作用下董家村渡槽槽體的主應(yīng)力及迎水面的環(huán)向應(yīng)力分布，并對(duì)槽體的位移情況進(jìn)行說明。正常運(yùn)行時(shí)，在兩種工況荷載作用下，對(duì)槽體的應(yīng)力分析結(jié)果能反映它的強(qiáng)度安全情況，槽體位移數(shù)值的大小則反映了槽體的剛度安全情況。

3.1 主應(yīng)力分析

1)在工況1荷載作用下，槽體第一主應(yīng)力的最大值為17 MPa，發(fā)生在側(cè)肋豎向預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的錨墊板下面，屬于由預(yù)應(yīng)力筋引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，第一主應(yīng)力的最小值為-11.3 MPa，與第一主應(yīng)力的最大值相伴產(chǎn)生；槽體大部分的第一主應(yīng)力在-10.00～1.0 MPa。槽體第三主應(yīng)力的最大值為0.54 MPa，發(fā)生在側(cè)肋與邊墻頂板交匯處螺紋鋼筋的錨墊板下面，屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象，第三主應(yīng)力的最小值為-9.34 MPa，與第三主應(yīng)的最大值相伴產(chǎn)生；槽體大部分的第三主應(yīng)力在-10～0 MPa。

2)在工況2荷載作用下，槽體第一主應(yīng)力的最大值為18.1 MPa，發(fā)生在邊肋豎向預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的錨墊板下面，屬于由預(yù)應(yīng)力筋引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，第一主應(yīng)力的最小值為-10.7 MPa，與第一主應(yīng)的最大值相伴產(chǎn)生；槽體大部分的第一主應(yīng)力在-23.1～1.00 MPa。槽體第三主應(yīng)力的最大值為2.46 MPa，發(fā)生在側(cè)肋與邊墻頂板交匯處螺紋鋼筋的錨墊板下面，屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象，第三主應(yīng)力的最小值為-28.5 MPa，與第三主應(yīng)的最大值相伴產(chǎn)生；槽體大部分的第三主應(yīng)力在-10.0～0.50 MPa。

3.2 迎水面應(yīng)力分析

1)在工況1荷載作用下，槽體跨中和1/4斷面迎水面處，都發(fā)現(xiàn)各槽環(huán)向大部分受壓，槽底板處部分受拉，其中1/4斷面處壓應(yīng)力最大，壓應(yīng)力最大值為-7.15 MPa，且受拉區(qū)最大拉應(yīng)力為0.99 MPa；槽體底板迎水面中線發(fā)現(xiàn)縱向受壓，壓應(yīng)力最大值為-2.25 MPa。迎水面所受應(yīng)力都在C50混凝土的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，迎水面不會(huì)開裂。

2)在工況2荷載作用下，槽體跨中和1/4斷面迎水面都發(fā)現(xiàn)環(huán)向受壓，且1/4斷面處壓應(yīng)力最大，壓應(yīng)力最大值為-6.53 MPa；槽體底板迎水面中線發(fā)現(xiàn)縱向受壓，壓應(yīng)力最大值為-3 MPa。迎水面所受應(yīng)力都在C50混凝土的抗壓設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，迎水面不會(huì)開裂。

3.3 位移分析

正常運(yùn)行時(shí)，在兩種工況荷載作用下槽體的橫豎向位移如表3所示，可看出，在工況1荷載作用下豎向位移最大，為2.35 mm，其相對(duì)位移為1/12766，遠(yuǎn)小于《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)的1/500。

表3 工況荷載作用下的位移

4 結(jié) 語

在各工況荷載作用下，除在預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨墊板下的應(yīng)力超過混凝土的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，其余大部分地方的應(yīng)力在C50混凝土的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度之內(nèi)，不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效。渡槽槽體橫向迎水面上的環(huán)向應(yīng)力和縱向底板上縱向應(yīng)力都小于混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，迎水面不會(huì)開裂，可保證槽體混凝土在水環(huán)境下的耐久性安全。

渡槽在兩種工況作用下，豎向位移最大為2.35 mm，相對(duì)位移為1/12766，相對(duì)位移遠(yuǎn)小于《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)的1/500，所以，渡槽的剛度滿足要求。在應(yīng)力集中點(diǎn)處，混凝土材料會(huì)進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力會(huì)隨塑性的發(fā)展而重新分布，且預(yù)應(yīng)力錨墊板下面都有加強(qiáng)鋼筋，實(shí)踐表明，不會(huì)發(fā)生裂縫。

在正常運(yùn)行情況下，渡槽結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足要求，該分析結(jié)果可為董家村渡槽的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

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