南水北調(diào)大型輸水箱涵三維有限元結(jié)構(gòu)分析

姜樹(shù)立，張 亭，董延超

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林長(zhǎng)春130021；2.南水北調(diào)中線(xiàn)干線(xiàn)工程建設(shè)管理局，北京100038）

1 概 況

南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程天津干線(xiàn)保定市2段，位于河北省保定市境內(nèi)，設(shè)計(jì)流量為50.0 m3/s，最大流量為60.0 m3/s。此段采用有壓箱涵輸水型式，具有距離長(zhǎng)，流量大，孔徑大，地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)。輸水線(xiàn)路采用整澆鋼筋混凝土三孔輸水箱涵,基礎(chǔ)坐落于壤土、粘土及淤泥質(zhì)粘土土層中。箱涵基礎(chǔ)材料變形模量低，在不同的荷載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形狀態(tài)復(fù)雜，采用一般結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法，很難準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、變形的實(shí)際分布規(guī)律。因此,采用大型有限元軟件ANSYS，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維線(xiàn)彈性有限元計(jì)算分析。

2 有限元模型

計(jì)算采用ansys大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，地基模型采用彈性連續(xù)介質(zhì)地基模型，箱涵主體采用實(shí)體建模，按線(xiàn)彈性理論進(jìn)行分析。

1）箱涵計(jì)算單元

箱涵采用一聯(lián)3孔4.4 m×4.4 m現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式，箱涵底板厚為0.65 m、頂板厚為0.55 m，邊墻度為0.55 m，中墻厚為0.45 m，加腋為0.4 m×0.4 m，混凝土墊層厚0.1 m。

為充分考慮地基土對(duì)箱涵受力性能影響，計(jì)算模型基礎(chǔ)以箱涵中心向兩側(cè)各取27.5 m，向下取15 m；按箱涵分段要求取15 m長(zhǎng)為一計(jì)算單元。考慮地基土體先期固結(jié)已完成，且為無(wú)質(zhì)量地基。

2）計(jì)算模型

箱涵主體采用solid65混凝土單元模擬，地基土體采用solid45單元模擬。

3）邊界條件

計(jì)算模型邊界條件假定，地基土體垂直水流方向施加法向約束，底面施加三向約束。

4）材料參數(shù)

混凝土及地基土的材料參數(shù)均由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得,其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

5）計(jì)算工況和荷載

輸水箱涵結(jié)構(gòu)受自重、土壓力、內(nèi)水壓力、水錘壓力、活荷載等主要荷載作用。結(jié)合工程的實(shí)際情況，綜合考慮，確定箱涵的計(jì)算工況及荷載組合，見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況及荷載組合

3 箱涵應(yīng)力分析

通過(guò)不同工況計(jì)算，可得箱涵第一主應(yīng)力σ1、第三主應(yīng)力σ3的分布情況，箱涵應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖1，2和表3。

從應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，箱涵第一主壓力最大值達(dá)到4.02 MPa，第三主壓力最大值達(dá)到4.78 MPa。箱涵無(wú)水時(shí)，箱涵結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力比較小,當(dāng)箱涵內(nèi)過(guò)水時(shí)，主拉應(yīng)力隨過(guò)水量的增加而增大。完建時(shí)，箱涵最大主應(yīng)力位于邊墻上部；3孔滿(mǎn)孔運(yùn)行（正常運(yùn)行和事故工況），箱涵最大主拉應(yīng)力位于底板加腋處內(nèi)側(cè)，最大主壓力位于中墻底部加腋處；兩孔運(yùn)行（中孔檢修）時(shí)，箱涵最大主拉應(yīng)力位于隔墻中部?jī)?nèi)側(cè)，最大主壓力位于隔墻底部加腋處外側(cè)。箱涵應(yīng)力分布情況符合箱涵結(jié)構(gòu)受力的狀態(tài)，主拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，需配置適量抗拉鋼筋來(lái)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

表3 箱涵最大主應(yīng)力匯總

4 箱涵結(jié)構(gòu)配筋比較

根據(jù)不同工況進(jìn)行配筋計(jì)算，并與結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算的結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行對(duì)照比較，見(jiàn)表4。

表4 配筋結(jié)果對(duì)照

由表4可見(jiàn)，三維有限元法與結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法得到配筋量比較接近，采用有限元計(jì)算時(shí),考慮了結(jié)構(gòu)整體相互作用，計(jì)算的邊墻、隔墻及頂板處的配筋量，略小于結(jié)構(gòu)力學(xué)方法的配筋量，但相差不大。另外，在加腋處因結(jié)構(gòu)斷面型式改變，應(yīng)力分布比較集中，需配加強(qiáng)鋼筋。

5 結(jié)語(yǔ)

1）南水北調(diào)中線(xiàn)一期天津干線(xiàn)大型輸水箱涵的三維有限元計(jì)算模型，考慮了箱涵結(jié)構(gòu)整體受力情況，充分反映箱涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律，得到加腋處局部應(yīng)力狀況，為加腋處配筋提供依據(jù)。

2）通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)法分析比較可知,三維有限元計(jì)算模型與地基反力為直線(xiàn)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型的配筋基本吻合，有限元結(jié)構(gòu)局部配筋量減小10%左右。箱涵斷面的結(jié)構(gòu)型式和配筋滿(mǎn)足規(guī)范要求，箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，可采用地基反力為直線(xiàn)分布的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型計(jì)算。三維有限元模型計(jì)算，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式、分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力規(guī)律、合理配置筋量方面具有優(yōu)越性，是比較合理的結(jié)構(gòu)分析手段。

3）通過(guò)三維有限元計(jì)算分析，取得了比較滿(mǎn)意結(jié)果，采用應(yīng)力圖形配筋可滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求，已在南水北調(diào)工程天津干線(xiàn)的箱涵設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。

4）對(duì)于大型輸水箱涵，實(shí)際工程應(yīng)用中仍需多種計(jì)算方法、多種計(jì)算模型進(jìn)行相互驗(yàn)證，才能保證結(jié)構(gòu)安全。

［1］SL191-2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL279-2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］黃福才，吳換營(yíng).ANSYS軟件在現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用［J］.南水北調(diào)與水利科技，2009（6）.