新疆某渡槽結(jié)構(gòu)安全性分析研究

陳學(xué)光

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830001)

1 目的

某渡槽地處北疆地區(qū)，日夜溫差和季節(jié)性溫差較大，冬季寒冷且歷時較長；另外，北疆地區(qū)寒潮頻繁，夏季太陽輻射大，冬季氣溫低及干濕交替等氣候條件復(fù)雜多變，給渡槽安全運(yùn)行帶來極大挑戰(zhàn)[1]；如何確定渡槽運(yùn)行期溫度荷載并合理評價嚴(yán)寒地區(qū)渡槽運(yùn)行安全性，是一個重要問題。然而現(xiàn)有規(guī)范[2]對于渡槽溫度荷載計算未充分考慮渡槽運(yùn)行特點(diǎn)，因此，本文從渡槽溫度應(yīng)力分布特點(diǎn)出發(fā)，研究渡槽溫度荷載確定方法，在此基礎(chǔ)上對新疆某大型梁式渡槽進(jìn)行安全性分析評價研究。

2 研究方法

2.1 溫度荷載確定

輸水渡槽槽身結(jié)構(gòu)溫度變化一是施工期混凝土水化熱引起的溫度變化；二是運(yùn)行期受周圍介質(zhì)溫度變化而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生溫度變化。根據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》溫度作用設(shè)計原則，按照第11.1.2條規(guī)定：“溫度作用應(yīng)按下列情況分別考慮，…，拱和框架等非大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可只考慮運(yùn)行期的溫度作用…”[3]。在長周期溫度作用下，渡槽內(nèi)溫度變化比較均勻，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的整體變形，由于支承條件約束，在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成溫度應(yīng)力，一般來講，這種溫度應(yīng)力不是很大。對于短期溫度變化而言，其變化速度很快，而且在結(jié)構(gòu)各表面引起溫度變化也不相同，渡槽產(chǎn)生整體位移往往不太大，卻能在局部形成較大溫度應(yīng)力[4]。

從渡槽結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)來看，其縱向和橫向受力結(jié)構(gòu)型式對溫度應(yīng)力相當(dāng)敏感；縱向方面，可簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)，外荷載作用下可自由伸縮，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力較小，考慮到超過20m以上梁式渡槽縱向基本都布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，槽身橫斷面具有一定的預(yù)壓余度，溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)影響較小甚至可以忽略；而橫向方面，為典型的超靜定結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力較大。綜合以上分析，對于梁式渡槽運(yùn)行期結(jié)構(gòu)安全評估而言，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注長周期溫度荷載對渡槽橫向受力方面的影響。

關(guān)于渡槽結(jié)構(gòu)運(yùn)行期溫度荷載選取方面，采用當(dāng)?shù)刈罡吆妥畹驮缕骄鶜鉁販p去結(jié)構(gòu)澆筑、安裝或合攏時的氣溫，即公式(1)。

(1)

式中，T1、T3—最高和最低月平均氣溫，℃；T2—結(jié)構(gòu)澆筑、安裝或合攏時的氣溫。

然而渡槽運(yùn)行期溫度應(yīng)力決定于溫度場邊界條件，氣溫和水溫變化影響最為顯著。運(yùn)行期渡槽溫度荷載，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注外界氣溫和水溫的聯(lián)合作用，如圖1所示。綜合以上分析結(jié)合南水北調(diào)中線工程沙河、午河及洺河等渡槽研究成果，長周期溫度荷載邊界條件按穩(wěn)態(tài)考慮，溫差取多年月平均最高或最低氣溫與水溫差[6-7]，即：

(2)

式中，T1、T3—最高和最低月平均氣溫，℃；Tm—?dú)鉁刈罡吆妥畹蜁r對應(yīng)的水溫；若冬季不通水，則溫降荷載取0℃。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，冬季最大溫降幅度取0℃，夏季最大溫升幅度取11℃。如上2個溫度差值將作為溫降、溫升荷載，用于渡槽安全評估。

2.2 動水壓力確定

水體與槽體相互作用問題屬于結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的流固耦合振動問題，當(dāng)前考慮流固耦合作用槽體內(nèi)水體簡化的方法大體上分兩種[8]：①線性方法，把水體當(dāng)作附加質(zhì)量作用于渡槽結(jié)構(gòu)上，與槽體一起進(jìn)行動力研究，如Housner水體簡化模型、附加質(zhì)量模型；②非線性方法，研究流體非線性晃動對槽體的影響，如邊界元法和任意拉格朗日歐拉(ALE型)有限元法等。

采用Housner水體簡化模型來考慮動水壓力影響，即作用在矩形或U型渡槽的順槽向各截面槽體內(nèi)的動水壓力可采用圖2所示，將其分為沖擊壓力和對流壓力兩部分[9]。

圖2 動水壓力計算模型示意圖

要實(shí)現(xiàn)上述動水壓力，可借助質(zhì)量單元和彈簧單元來實(shí)現(xiàn)；以Ansys軟件為例，可選擇Mass21質(zhì)量單元和Combine40彈簧單元來模擬動水壓力。

2.3 計算模型

計算模型僅考慮上部槽身結(jié)構(gòu)，同時槽端考慮盆式支座的約束作用。根據(jù)設(shè)計提供資料建立渡槽有限元模型，其中，坐標(biāo)原點(diǎn)取渡槽一端底板跨中底部位置，x向取渡槽橫向，y向取渡槽縱向，z軸位于渡槽截面中心線上，方向取鉛直方向，以向上為正。實(shí)體模型采用8節(jié)點(diǎn)等參單元，錨索采用三維錨索隱式單元，共形成實(shí)體單元236180個，錨索單元1464個，節(jié)點(diǎn)269606個；單個網(wǎng)格尺寸在槽身橫向約0.05m，在縱向?yàn)?.125m(頂部拉桿位置)和0.3m(頂部無拉桿位置)；渡槽4個支撐部位的底部利用不同方向約束的可滑動接觸單元模擬簡支約束。渡槽靜力計算與動力計算采用的模型均一致。如圖3—4所示。

圖3 渡槽有限元網(wǎng)格模型

圖4 錨索有限元模型

2.4 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

輸水渡槽槽身混凝土設(shè)計標(biāo)號為C50，根據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)環(huán)境條件為二類時，裂縫控制等級為二級。渡槽采用以下標(biāo)準(zhǔn)：

槽身正截面內(nèi)外壁處法向應(yīng)力：σck-σpc≤0.7ftk=1.85MPa；

槽身主拉應(yīng)力：σtp≤0.85ftk=2.24MPa；

槽身主壓應(yīng)力：σcp≤0.6fck=19.44MPa

2.5 計算工況

鑒于該渡槽在冬季不運(yùn)行的特點(diǎn)，荷載組合中的溫度荷載僅考慮溫升情況；渡槽完建時，槽內(nèi)未通水，槽體內(nèi)外壁溫度基本等同于外界氣溫，溫差荷載按零來考慮；另外，按照相關(guān)規(guī)范，地震工況下，水荷載按設(shè)計水位進(jìn)行考慮。

2.6 靜力安全評價

正常水位工況下，由于水荷載和溫升荷載聯(lián)合作用，使得渡槽內(nèi)壁受拉，外壁受壓。由渡槽應(yīng)力分布云圖可知(如圖5—6所示)，內(nèi)壁環(huán)向除底板中部區(qū)域外，其他區(qū)域受拉，拉應(yīng)力基本在1.5MPa以內(nèi)，其中，邊墻底部(即距八字墻頂部0.7m區(qū)域內(nèi))、八字墻與邊墻及底板連接處等部位的環(huán)向拉應(yīng)力超過了1.85MPa，最大可達(dá)3.0MPa；內(nèi)壁縱向跨中區(qū)域受拉，拉應(yīng)力基本在0.3～0.8MPa之間，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在跨中位置底板與八字墻連接處，可達(dá)1.1MPa；內(nèi)壁第一主應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，大部分區(qū)域拉應(yīng)力在2.24MPa以內(nèi)，邊墻底部以及底板兩側(cè)部分區(qū)域的主拉應(yīng)力超過2.24MPa，甚至達(dá)到3.0MPa。渡槽外壁環(huán)向及縱向絕大部分區(qū)域受壓，除端部及支座附近區(qū)外存在應(yīng)力集中外，環(huán)向壓應(yīng)力基本在3.0MPa以內(nèi)，最大壓應(yīng)力不超過7MPa，縱向壓應(yīng)力基本在3.5MPa以內(nèi)，最大壓應(yīng)力不超過7MPa；外壁第一主應(yīng)力基本在0.5MPa以內(nèi)。

圖5 正常水位工況時內(nèi)壁應(yīng)力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖6 正常水位工況時外壁應(yīng)力分布云圖(單位：0.01MPa)

由各典型橫斷面應(yīng)力分布云圖可知(如圖7所示)可知，正常水位工況下溫升荷載使底板呈上彎變形，邊墻呈外彎變形，水荷載使底板呈下彎變形，邊墻呈外彎變形，各荷載綜合作用結(jié)果，使得渡槽內(nèi)壁受拉，外壁受壓；底板頂面兩側(cè)區(qū)域(即八字墻與底板連接處往槽軸線方向)存在橫向拉應(yīng)力超標(biāo)區(qū)(即拉應(yīng)力超過1.85MPa)，其深度最大達(dá)到0.6cm，寬度最大可達(dá)0.25m，長度方向基本貫穿整個槽身內(nèi)壁；邊墻內(nèi)壁下部區(qū)域(即八字墻往上方向)存在豎向拉應(yīng)力超標(biāo)區(qū)，其深度最大可到1.0cm，高度最大可達(dá)0.7m，長度方向基本貫穿整個槽身內(nèi)壁。

圖7 正常工況各斷面應(yīng)力分布云圖(左圖為橫向應(yīng)力，右圖為豎向應(yīng)力；單位：0.01MPa)

綜合槽身內(nèi)外壁以及各典型橫斷面應(yīng)力分析結(jié)果，內(nèi)壁環(huán)向局部位置存在超標(biāo)拉應(yīng)力(即拉應(yīng)力大于1.85MPa)，縱向不存在超標(biāo)拉應(yīng)力，這使得槽身局部區(qū)域難以滿足“裂縫控制等級二級”的要求。槽身外壁環(huán)向及縱向基本為壓應(yīng)力，主拉應(yīng)力均小于0.5MPa，主壓應(yīng)力均小于7.0MPa，因此，外壁滿足“裂縫控制等級二級”的要求。

2.7 動力安全評價

由渡槽應(yīng)力分布云圖可知(如圖8所示)，地震工況下邊墻下部及八字墻附近區(qū)域環(huán)向受拉，拉應(yīng)力基本在1.5MPa以內(nèi)，其中，邊墻底部(即距八字墻頂部0.35m區(qū)域內(nèi)，深度約0.7cm)、八字墻與邊墻及底板連接處等部位的環(huán)向拉應(yīng)力超過了1.85MPa，最大可達(dá)3.0MPa；內(nèi)壁縱向跨中位置八字墻與底板連接處存在很小的受拉區(qū)，拉應(yīng)力基本在0.4MPa以內(nèi)，其他區(qū)域受壓；內(nèi)壁第一主應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，大部分區(qū)域拉應(yīng)力在1.50MPa以內(nèi)，邊墻底部以及底板兩側(cè)部分區(qū)域的主拉應(yīng)力超過2.24MPa，甚至達(dá)到3.0MPa。外壁環(huán)向邊墻上部以及底板大部分區(qū)域受拉，拉應(yīng)力基本在1.50MPa以內(nèi)，其中，底板中部區(qū)域拉應(yīng)力超過1.85MPa，最大可達(dá)2.10MPa；跨中及支座位置縱向存在一定范圍受拉區(qū)，最大拉應(yīng)力不超過0.5MPa，其他區(qū)域均受壓；外壁第一主應(yīng)力基本在2.20MPa以內(nèi)。

圖8 地震工況各斷面應(yīng)力分布云圖(左圖為橫向應(yīng)力，右圖為豎向應(yīng)力；單位：0.01MPa)

根據(jù)以上分析可知，地震工況下內(nèi)壁環(huán)向局部位置存在超標(biāo)拉應(yīng)力(即拉應(yīng)力大于1.85MPa)，縱向不存在超標(biāo)拉應(yīng)力，這使得槽身局部區(qū)域難以滿足“裂縫控制等級二級”的要求。

3 結(jié)語

經(jīng)計算分析，可得出以下結(jié)論：

(1)渡槽運(yùn)行期溫度應(yīng)力決定于溫度場邊界條件，氣溫和水溫變化影響最為顯著，結(jié)合南水北調(diào)中線工程沙河、午河及洺河等渡槽研究成果，長周期溫度荷載邊界條件按穩(wěn)態(tài)考慮，溫差取多年月平均最高或最低氣溫與水溫差。

(2)現(xiàn)有設(shè)計條件下，溫升荷載使得內(nèi)壁邊墻底部、八字墻與邊墻及底板連接處等部位存在環(huán)向拉應(yīng)力超標(biāo)區(qū)，而縱向不存在超標(biāo)拉應(yīng)力，這就導(dǎo)致槽身內(nèi)壁局部區(qū)域難以滿足“裂縫控制等級二級”的要求；渡槽外壁應(yīng)力均小于允許應(yīng)力，能夠滿足“裂縫控制等級二級”的要求。盡管渡槽局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力均小于C50混凝土容許拉應(yīng)力，說明槽身整體安全性是可以保證的。

(3)鑒于現(xiàn)有設(shè)計條件下，渡槽內(nèi)壁可能會出現(xiàn)局部的應(yīng)力超標(biāo)區(qū)，建議對渡槽內(nèi)壁采用噴涂聚脲彈性體技術(shù)進(jìn)行防滲處理，以增加結(jié)構(gòu)的耐久性。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及意義

(1)輸水渡槽安全性分析研究為高寒地區(qū)薄壁結(jié)構(gòu)為首座采用有限元模擬分析計算的渡槽工程。

(2)輸水渡槽安全性分析研究第一次細(xì)化了規(guī)范對溫度荷載要求，綜合考慮了工程施工及運(yùn)行中的不同使用環(huán)境。

(3)輸水渡槽應(yīng)力分析的研究成果及應(yīng)用實(shí)施為高寒地區(qū)薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。