洲子山預應力渡槽結構三維有限元分析

胡 宏

(湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410000)

1 槽身結構及計算工況

洲子山渡槽是涔天河灌區中一座比較有代表性的大流量、長距離渡槽。渡槽全長801m，最大離地高度33m，設計流量20m3/s，加大流量23m3/s。渡槽采用了預應力槽身，單跨30m，凈寬4.2m，凈高3.6m，混凝土標號為C40。跨中斷面側墻厚度為0.3m，底板為0.32m，兩端斷面加厚，側墻厚為0.5m，底板為0.5m。如圖1所示。縱向預應力體系為10束11φj15.2鋼絞線，采用后張法施工，如圖2所示。

本文擬對洲子山渡槽預應力槽身進行有限元靜力分析。按照相關規范要求，擬定四個工況進行計算，分別是：①空槽；②通過設計流量；③通過加大流量；④滿槽。各工況對應的荷載組合見表1。

2 有限元模型

在Midas FEA軟件中進行計算。槽身混凝土采用三維實體單元。對于鋼筋(包括預應力鋼絞線)，在Midas FEA軟件中通過將鋼筋的剛度添加到母單元中的方法進行模擬，這樣的處理有以下幾點需要注意：①鋼筋和母單元之間是完全粘結沒有相互滑移的；②鋼筋沒有自由度；③鋼筋的應變是利用母單元的位移計算得出的。

最終劃分為14838個節點，47749個單元，如圖3所示。

根據實際槽身支座的布置情況，對槽身施加如圖4所示的約束，圖中方向為自由活動方向。

圖1 槽身結構圖

圖2 預應力體系圖

表1 荷載組合表

圖3 網格劃分圖

圖4 槽身約束圖

3 計算結果分析

3.1 位移分析

預應力體系使得結構的整體剛度變大，相應的位移值均較未施加預應力的結構減少較多。本次計算得到的跨中斷面豎向位移值見表2。由表2數值計算可以得出：在空槽工況下，因預應力反拱作用，跨中斷面豎向位移向上，位移值較小；在其它3種工況中，均為向下位移，位移值均較小。

表2 跨中斷面豎向位移值

3.2 應力分析

根據規范要求，槽身應力需同時滿足正截面抗裂與斜截面抗裂要求。正截面抗裂要求截面混凝土法向應力(槽身縱向應力)需滿足下式：

σck-σpc≤0

(1)

斜截面抗裂要求槽身主拉應力及主壓應力滿足如下要求：

σtp-0.85ftk,σcp≤0.6fck，

(2)

典型的主要應力云圖如圖5—8所示。

圖5 空槽縱向應力云圖

圖6 加大流量縱向應力云圖

圖7 空槽主壓應力云圖

圖8 加大流量主壓應力云圖

3.2.1縱向應力

在空槽工況下，大部分槽身縱向應力數值分布在-13.2～1.03MPa。渡槽結構的最大拉應力分布在渡槽末端的上邊緣，最大壓應力分布在渡槽末端的下邊緣，槽體的內表面全部為壓應力；在通過設計流量工況下，大部分槽身縱向應力數值分布在-9.7～-0.25MPa。渡槽結構的最大拉應力分布在渡槽末端的上邊緣，最大壓應力分布在渡槽末端的下邊緣，槽體的內表面全部為壓應力；在通過加大流量工況下，大部分槽身縱向應力數值分布在-8.4～-0.72MPa。渡槽結構的最大拉應力分布在渡槽末端的上邊緣，最大壓應力分布在渡槽末端的下邊緣，槽體的內表面全部為壓應力；在通過滿槽流量工況下，大部分槽身縱向應力數值分布在-7.1～-1.51MPa。渡槽結構的最大拉應力分布在渡槽末端的上邊緣，最大壓應力分布在渡槽末端的下邊緣，槽體的內表面全部為壓應力。

3.2.2主拉應力

在空槽工況下，大部分槽身主拉應力均在0.09～0.15MPa之間。最大主拉應力出現在靠近支座處，內表面分布又以側墻、底板相接倒角處為最大；在通過設計流量工況下，大部分槽身主拉應力均在0.1～0.21MPa之間。最大主拉應力出現在靠近支座處，內表面分布又以側墻、底板相接倒角處為最大；在通過加大流量工況下，大部分槽身主拉應力均在0.15～0.24MPa之間。最大主拉應力出現在靠近支座處，內表面分布又以側墻、底板相接倒角處為最大；在通過加大流量工況下，大部分槽身主拉應力均在0.17～0.29MPa之間。最大主拉應力出現在靠近支座處，內表面分布又以側墻、底板相接倒角處為最大。

3.2.3主壓應力

在空槽工況下，大部分槽身主壓應力均在-11.3～-1.2MPa之間。最大主壓應力出現在靠近支座處，內表面分布又以側墻、底板相接倒角處為最大；在通過設計流量工況下，大部分槽身主壓應力均在-8.7～-0.5MPa之間。最大主壓應力出現在靠近支座處，內表面分布又以側墻、底板相接倒角處為最大；在通過加大流量工況下，大部分槽身主壓應力均在-7.2～-1.2MPa之間。最大主壓應力出現在靠近支座處，內表面分布又以側墻、底板相接倒角處為最大；在通過加大流量工況下，大部分槽身主壓應力均在-6.6～-1.5MPa之間。最大主壓應力出現在靠近支座處，內表面分布又以側墻、底板相接倒角處為最大。

4 結論

(1)槽身在預應力作用下豎向位移顯著減小，但在空槽時會出現反拱。

(2)預應力槽身端部受力情況復雜，最大及最小縱向應力均在此出現，因槽身支座、錨固段也在此設置，可適當增加厚度。

(3)槽身側墻與底板相接倒角處應力復雜，可以適當多配置普通鋼筋防止開裂。

(4)根據有限元受力分析計算結果，洲子山預應力槽身具有較高的抗彎剛度，較小的整體位移和變形值，較低的應力，安全冗余性較高。

綜上所述，洲子山渡槽正常使用工況下變形及各項應力控制指標均滿足規范要求，槽身是安全穩定的。