鋼筋混凝土裝配式渠槽有限元仿真分析

姚文博，馬文亮

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

國家相關(guān)部門提出要大力發(fā)展裝配式建筑，裝配式渠槽的研究積極響應(yīng)了國家的號召。并且國內(nèi)迄今為止對裝配式渠槽的研究甚少，所以對此結(jié)構(gòu)的研究具有重要的意義。渡槽在正常運(yùn)行期間會(huì)受到水荷載的作用，不同工況下會(huì)對渠槽結(jié)構(gòu)的形態(tài)產(chǎn)生不同程度的影響。不利荷載作用下，可能導(dǎo)致渠槽結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、破壞。裝配式渠槽的整體性和連續(xù)性普遍弱于現(xiàn)澆式，所以更容易出現(xiàn)變形問題。為了研究該裝配式渠槽結(jié)構(gòu)是否能正常運(yùn)行、設(shè)計(jì)方案是否合理，本文采用ABAQUS 有限元仿真軟件，建立渠槽的三維有限元模型，對渠槽進(jìn)行仿真分析。

1 計(jì)算模型

1.1 工程概況

西霞院裝配式渠槽是小浪底的配套工程，位于黃河流域，其經(jīng)過武陟縣、孟州市等多個(gè)市縣。槽身段長180.0 m，采用鋼筋混凝土矩形渠槽，設(shè)計(jì)流量為51.7 m3/s，底板厚度0.6 m，底板寬9 m，側(cè)墻高度5.3 m，側(cè)墻凈高4.7 m。側(cè)墻為預(yù)制構(gòu)件，底板在現(xiàn)場澆筑。側(cè)墻配雙排鋼筋，底板配上下雙層鋼筋，側(cè)墻與底板均采用HRB400 鋼筋。

1.2 材料參數(shù)

底板與側(cè)墻均使用C25 的混凝土，彈性模量Ec=28 GPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=11.9 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.27 MPa，泊松比vc=0.2。

1.3 有限元模型

槽身混凝土采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元模擬，單元類型為C3D8R。底板內(nèi)鋼筋主要受壓，所以采用T3D2 單元。底板內(nèi)鋼筋采用T3D2 的桁架單元模擬[2]。側(cè)墻鋼筋和插筋由于需要抗彎，所以采用線性梁單元B31。由于為裝配式渠槽，所以底板與側(cè)墻間設(shè)置為表面與表面接觸的形式。接觸面屬性要考慮切向行為與法向行為[3-4]，并定義為可滑移的形式。側(cè)墻與底板間接觸面如圖1 所示。

圖1 接觸面示意圖

2 裝配式渠槽仿真分析

2.1 應(yīng)力與位移分析

以裝配式鋼筋混凝土矩形渠槽結(jié)構(gòu)中的一小段為研究對象。分析其在無水、1/2 水位、設(shè)計(jì)水位下的應(yīng)力及位移變化規(guī)律，結(jié)果為裝配式渠槽提供參考。各種工況下混凝土承受第一主應(yīng)力的仿真模擬結(jié)果如圖2—4 所示。

圖2 無水工況土第一主應(yīng)力

圖3 1/2 水位工況第一主應(yīng)力

圖4 設(shè)計(jì)水位工況第一主應(yīng)力

無水、1/2 水位、設(shè)計(jì)水位工況下，槽身承受的拉應(yīng)力逐漸升高，最大拉應(yīng)力值分別為0.010 6 MPa、0.315 MPa、1.04 MPa，最大拉應(yīng)力值要小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。設(shè)計(jì)水位下的最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在側(cè)墻內(nèi)側(cè)底部。隨著水位的不段升高，在側(cè)墻內(nèi)側(cè)底部的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象越來越明顯，可考慮采用局部加固的形式來削弱應(yīng)力集中現(xiàn)象。壓應(yīng)力也隨著水位的升高逐漸增大，無水工況、1/2 水位工況、設(shè)計(jì)水位工況下的最大壓應(yīng)力值分別為0.136 MPa、0.278 MPa、0.859 MPa。設(shè)計(jì)水位工況下的最大壓應(yīng)力在側(cè)墻外側(cè)下部。綜上，水荷載對渠槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響較大，其中對拉應(yīng)力的影響較壓應(yīng)力更加顯著。

各種工況下的豎向位移與橫向位移仿真模擬結(jié)果如圖5—7 所示。

圖5 無水位移圖

圖6 1/2 水位位移圖

圖7 設(shè)計(jì)水位位移圖

無水、1/2 水位、設(shè)計(jì)水位工況下裝配式渠槽的位移變化規(guī)律由上圖可知。不同工況下，渠槽的橫向位移云圖的位移變化規(guī)律相似。隨著水位升高，渠槽的橫向位移逐漸增大，倆側(cè)墻處于逐漸分開的趨勢。無水工況下最大橫向位移為0.028 6 mm，1/2 水位工況下最大橫向位移為0.149 mm，設(shè)計(jì)水位工況下最大橫向位移為0.716 mm，位移增加較為顯著，設(shè)計(jì)水位工況下最大橫向位移比無水工況下的增大了近25 倍。1/2水位工況下的最大豎向位移為0.014 5 mm，與無水工況下的相近，僅增加了0.002 8 mm。而設(shè)計(jì)水位下的最大豎向位移比1/2 水位工況下的增大了0.031 mm。隨著水位的不斷升高，豎向最大位移從側(cè)墻內(nèi)側(cè)變化到側(cè)墻外側(cè)。綜上可知，水荷載對渠槽的結(jié)構(gòu)影響較大，在工程正常運(yùn)行期間應(yīng)加大對水位的安全監(jiān)測力度。

為了分析裝配式渠槽的應(yīng)力分布規(guī)律，定義了特定路徑[5]，如圖8 所示。

圖8 渠槽路徑示意圖

在該路徑上，各工況下裝配式渠槽的第一主應(yīng)力變化曲線和位移變化曲線，如圖9 和圖10 所示。

圖9 第一主應(yīng)力變化曲線

圖10 位移變化曲線

由圖9 可知側(cè)墻上部主要受壓。設(shè)計(jì)水位及1/2水位工況時(shí)，側(cè)墻下部出現(xiàn)了受拉區(qū)，而1/4 水位及無水工況下，側(cè)墻下部依然受壓。底板主要承受壓應(yīng)力，底板兩側(cè)邊緣處受側(cè)墻影響，承受拉應(yīng)力。通過分析可知，設(shè)計(jì)水位工況下出現(xiàn)最大拉應(yīng)力σmax=0.645 MPa，無水工況下出現(xiàn)最大壓應(yīng)力σmax=0.123 MPa。隨水位升高，側(cè)墻下部逐漸由受壓區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓍^(qū)。并在套筒附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，可知套筒承受了較大的拉應(yīng)力。由圖10 可知各工況下位移的變化規(guī)律相似，側(cè)墻發(fā)生變形，并且上側(cè)的變形最大。設(shè)計(jì)水位下出現(xiàn)最大位移。

2.2 滑移分析

因?yàn)槭茄b配式渠槽，所以必須要考慮側(cè)墻與底板間是否會(huì)出現(xiàn)滑移的現(xiàn)象。側(cè)墻底部的橫向位移云圖如圖11—13 所示。

圖11 無水工況下位移圖

圖12 1/2 水位工況下位移圖

圖13 設(shè)計(jì)水位工況下位移圖

由于側(cè)墻與底板間是采用半灌漿套筒的濕連接方式連接的，所以在側(cè)墻與底板間接觸面的模擬時(shí)考慮到了會(huì)產(chǎn)生相對滑移的問題[6-7]。采用了面-面“硬”接觸的模擬方式，并根據(jù)規(guī)范施加相應(yīng)的摩擦系數(shù)μ來模擬接觸面間的約束。無水工況、1/2 水位工況、設(shè)計(jì)工況下的最大滑移分別為0.000 193 mm、0.001 69 mm、0.003 02 mm。由此可見側(cè)墻與底板間的滑移可忽略，結(jié)構(gòu)連續(xù)性與整體性符合要求[8]。

3 總結(jié)

設(shè)計(jì)水位工況下產(chǎn)生的變形是最大的，所以把此工況作為控制工況。水荷載對裝配式渠槽的應(yīng)力和位移的影響較大，設(shè)計(jì)水位的橫向位移最大值為0.716 mm，而無水工況下的橫向位移最大值為0.028 6 mm。為減小側(cè)墻橫向位移可適當(dāng)增加墻厚或沿墻身方向加橫肋。設(shè)計(jì)水位下的最大拉應(yīng)力比無水工況下增大1.029 MPa。隨水位升高，壓應(yīng)力值也顯著增加。所有工況下的應(yīng)力均符合規(guī)范要求。隨水位升高在側(cè)墻內(nèi)側(cè)底部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，可采用相應(yīng)加固措施削減局部應(yīng)力。裝配式渠槽側(cè)墻與底板間的滑移量很小，說明其結(jié)構(gòu)具備整體性和連續(xù)性。該研究結(jié)果可為裝配式渠槽的結(jié)構(gòu)分析和正常運(yùn)行提供參考。