某“U”型薄殼渡槽結(jié)構(gòu)對彈性模量變化的敏感性分析

查龍青，蘇豪，陳海軍 （安徽省路港工程有限責任公司，安徽 合肥 230022）

渡槽作為輸水建筑物，在灌溉工程中起了非常重要的作用。“U”型薄殼渡槽能夠高效節(jié)省材料和工期，但其耐久性一般，使用壽命較短，在實際運行過程中，發(fā)生了不少安全事故[1]。渡槽混凝土材料的彈性模量對渡槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形有一定的影響，選擇合適的彈性模量，對渡槽整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定非常關(guān)鍵，但目前較少進行“U”型薄殼渡槽結(jié)構(gòu)對彈性模量變化的敏感性分析。本文以某“U”型薄殼渡槽為例，選用8節(jié)點6面體等參單元模型對“U”型薄殼渡槽進行有限元建模分析，模擬具體工況下渡槽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對槽體、排架彈性模量變化的敏感性分析。本文的研究成果可為今后渡槽工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析研究提供參考，并希望能夠給予類似工程的除險加固處理等提供理論借鑒。

1 工程概況

某“U”型薄殼渡槽全長1092m，共計31 跨，其中：29 跨36m 長，1 跨32m長，1 跨16m 長。渡槽槽壁厚0.05m，凈寬3.4m，凈高3m，斷面形式為鋼絲網(wǎng)半圓形，槽身標準段為36m 跨雙懸；排架斷面尺寸0.35m×0.9m，最大高度28m；基礎(chǔ)62 個，其中7 個因地質(zhì)問題，采用沉井方法，其余均按條形基礎(chǔ)設(shè)計施工。槽身和排架采用預(yù)制吊裝施工。渡槽槽體的彈模為25GPa、泊松比為0.167、密度為2500kg/m3；沉井彈模為28GPa、泊松比為0.167、密度為2400kg/m3；其他混凝土結(jié)構(gòu)彈模為25GPa、泊松比為0.167、密度為2400kg/m3。

2 渡槽有限元分析

2.1 計算模型

本次選用29 號渡槽作為研究對象。其槽身為雙軸對稱體系，過水斷面半圓部分外半徑1.75m，直墻部分高0.9m。槽身寬3.5m，槽身壁厚0.05m，高2.65m?？v向結(jié)構(gòu)為雙懸臂裝配式。29號渡槽為低排架結(jié)構(gòu)，并且兩個排架的高度相差較大，其對應(yīng)的排架號為57#和58#。57#排架的高度為16.4m，58#排架的高度為12.6m。

在渡槽的三維計算模型中，混凝土結(jié)構(gòu)均采用8節(jié)點6面體等參單元，對渡槽進行有限元離散。29 號渡槽三維有限元整體網(wǎng)格如圖1 所示，本次有限元分析選用整體式模型，即將單元當作連續(xù)均勻的材料處理，將混凝土與鋼筋彌散其中形成一個整體，然后求得單元剛度矩陣[2～3]。荷載組合為自重+風(fēng)壓力+2m 水深，地面粗糙度為B 類，相關(guān)參數(shù)見規(guī)范[4]。

圖1 29號渡槽有限元網(wǎng)格

定義X軸正軸為渡槽槽殼右側(cè)，X軸負軸為渡槽槽殼左側(cè)，所施加風(fēng)荷載的方向為X 軸反方向，本次對槽體的研究選取了外槽殼的左側(cè)。應(yīng)力正負號規(guī)定：以拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負。位移正負號規(guī)定：X 軸正向，面向水流流向，右手邊為X 軸正向；Y 軸正向，沿高程向上的方向；Z軸正向，逆水流方向。

2.2 計算分析

計算結(jié)果見表1。渡槽槽體外殼面左側(cè)第一主應(yīng)力最大值發(fā)生在跨中底部，第三主應(yīng)力最大值發(fā)生在下支座下游底部；57#排架第一主應(yīng)力最大值發(fā)生在排架左側(cè)3/4 高處，第三主應(yīng)力最大值發(fā)生在排架左側(cè)底部；58#排架第一主應(yīng)力最大值發(fā)生在排架左側(cè)2/3 高處，第三主應(yīng)力最大值發(fā)生在排架左側(cè)底部。

槽體與排架的應(yīng)力、位移特征值表 表1

槽體X 方向、Y 方向、Z 方向位移最大 值 分 別 為 6.87mm、5.81mm、1.80mm，分別發(fā)生在上游懸臂端頂部、跨中底部和上支座下游底部。57#排架X 方向、Y 方向、Z 方向位移最大值分別為4.99mm、1.91mm、5.35mm，58#排架X 方向、Y 方向、Z 方向位移最大值分別為3.08mm、1.47mm、3.42mm，57#和58#排架位移特征值均發(fā)生在排架左側(cè)頂部。

2.3 與現(xiàn)場檢測對比分析

利用現(xiàn)場檢測的跨中頂部撓度值和支座頂部撓度值與有限元計算結(jié)果進行對比：跨中頂部撓度值根據(jù)有限元計算結(jié)果為5.41mm，現(xiàn)場檢測結(jié)果為8.50mm；支座頂部撓度值根據(jù)有限元分析結(jié)果為1.50mm，現(xiàn)場檢測結(jié)果為1.20mm。根據(jù)撓度的對比結(jié)果分析，有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場檢測相差不大，說明有限元計算結(jié)果的可靠性，因此，對本工程利用有限元的模擬可以提供一定的參考。

3 對彈性模量的敏感性分析

為探討渡槽槽體、排架逐漸降低混凝土彈模后對整體影響的變化規(guī)律，確定渡槽對槽體彈模敏感性分析的5 種方案為槽體彈模值的1.5 倍、1.25 倍、1 倍、0.5 倍和0.25 倍，渡槽對排架彈模敏感性分析的5 種方案為排架彈模值的1.5倍、1.25 倍、1 倍、0.5 倍和0.25 倍，分別分析主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力、X 方向位移和Y方向位移極值的變化規(guī)律。

3.1 對槽體彈性模量的敏感性分析

隨著槽體彈模的增大，槽體主拉應(yīng)力極值有一定的變化，當槽體彈模變化倍數(shù)小于0.5 時，極值變化較大，槽體拉應(yīng)力對槽體彈模很敏感；而主壓應(yīng)力極值有一定變化較小，槽體壓應(yīng)力對槽體彈模較敏感。在槽體彈模變化過程中，57#、58#排架的主拉應(yīng)力極值基本保持穩(wěn)定，排架主拉應(yīng)力對槽體彈模不敏感；主壓應(yīng)力極值有一定變化，當槽體彈模變化倍數(shù)小于1 時，57#、58#排架主壓應(yīng)力對槽體彈模較敏感。

隨著槽體彈模的逐漸增大，槽體X方向和Y 方向的位移均呈現(xiàn)下降的趨勢，Y 方向的位移變化較大，X 方向位移變化較小，槽體X 方向位移對槽體彈模較敏感，Y 方向位移對槽體彈模很敏感。在槽體彈模變化過程中，57#、58#排架X方向和Y 方向位移均比較穩(wěn)定，57#、58#排架X 方向和Y 方向位移對槽體彈模不敏感。

3.2 對排架彈性模量的敏感性分析

隨著排架彈模的增大，槽體主拉應(yīng)力極值變化較小，主壓應(yīng)力極值較為穩(wěn)定，槽體主拉應(yīng)力對排架彈模較敏感，主壓應(yīng)力對排架彈模不敏感。在排架彈性模量變化過程中，57#、58#排架主拉應(yīng)力極值比較穩(wěn)定，主壓應(yīng)力極值有一定變化，但變化值不大，排架主拉應(yīng)力對排架彈模不敏感，排架主壓應(yīng)力對排架彈模較敏感。

隨著排架彈模的增大，槽體、57#排架、58#排架X 方向、Y 方向位移極值變化均較大，槽體、排架X方向、Y方向位移對排架彈性均很敏感。

槽體彈模變化情況下各特征值變化表 表2

排架彈模變化情況下各特征值變化表 表3

4 結(jié)論

通過對“U”型薄殼渡槽的槽身及排架的應(yīng)力、變形及對彈模的敏感性分析，主要得出以下結(jié)論：

①有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場檢測相差不大，說明有限元計算結(jié)果的可靠性，利用有限元進行模擬計算可以為實際工程提供一定的參考；

②當槽體彈模變化倍數(shù)小于0.5時，槽體主拉應(yīng)力對槽體彈模很敏感；槽體主壓應(yīng)力對槽體彈模較敏感。57#、58#排架主拉應(yīng)力對槽體彈模不敏感；當槽體彈模變化倍數(shù)小于1 時，57#、58#排架主壓應(yīng)力對槽體彈模較敏感；

③槽體X 方向位移對槽體彈模較敏感，Y 方向位移對槽體彈模很敏感，57#、58#排架X 方向和Y 方向位移對槽體彈模不敏感；

④槽體主拉應(yīng)力對排架彈模較敏感，主壓應(yīng)力對排架彈模不敏感。排架主拉應(yīng)力對排架彈模不敏感，排架主壓應(yīng)力對排架彈模較敏感；

⑤槽體、57#排架、58#排架X 方向、Y方向位移對排架彈性均很敏感。