大型涵洞式渡槽運營期有限元仿真分析

姬棟宇

（湖南城建職業技術學院，湖南 湘潭 411101）

大型涵洞式薄殼渡槽具有受力性能好［1-2］、施工方便、溫度應力低［3-4］等優點，成為近年來渡槽理論和應用研究的熱點問題。 由于大型涵洞式薄殼屬于典型的薄壁結構，在結構的設計和施工過程中，對其應力應變特性的研究有利于指導涵洞式薄殼渡槽設計和施工運營， 筆者針對沙河涵洞式渡槽結構體型大、受力復雜等問題，采用有限單元法對沙河涵洞式渡槽結構進行了仿真分析。

1 工程概況

沙河渡槽是南水北調中線一期工程總干渠上的大型河渠交叉建筑物，項目位于河南魯山縣城東，沙河渡槽是一個組合建筑物， 跨越河道及低洼地帶采用梁式渡槽、跨越灘地采用涵洞式渡槽。沙河渡槽全長為7590m，渡槽由4部分組成，第一部分為沙河板梁式渡槽、第二部分為涵洞式渡槽（第一段）、第三部分為大郎河板梁式渡槽、第四部分為涵洞式渡槽（第二段）。 第一段渡槽的典型斷面為涵洞，有兩個涵洞并排設置雙渡槽輸水。 其凈高5700mm，凈寬5800mm，底板厚900mm， 頂板厚850mm。 涵洞式渡槽凈寬11800mm，凈高8000mm，底板厚850mm，側墻從底部厚1100mm，過渡到頂部厚400mm。

2 計算模型

2.1 模型參數

槽身采用C40混凝土，E1=32.5GPa； 涵底墊層混凝土為C15，彈性模量E2=17.5GPa；墊層下基礎為4m深的壤土， 彈性模量E3=11MPa； 壤土下為2.5m天然砂，彈性模量E4=25MPa；最下部為天然卵石層，彈性模量E5=40MPa。

2.2 模型單元

沙河涵洞式渡槽結構模型采用8節點等參塊體單元計算，參塊體單元具有8個節點，每個節點具有3個平動自由度。 沙河涵洞式渡槽結構的三維有限元計算模型如圖1。 該參塊體單元具有塑性、 蠕變、膨脹、應力硬化、大變形、大應變等功能。

圖1 渡槽結構有限元計算模型

2.3 溫度荷載

在溫度荷載分析過程中主要有如下步驟： ①通過實測得出構件表面溫度分布情況， 通過溫度升降的工況分析得出相應的溫度應力值； ②溫度分析塊體單元呈3個方向進行熱傳導， 對8節點單元進行三維熱分析，實現勻速熱流的傳遞。

2.4 混凝土徐變和應力松弛

涵洞式渡槽在運營期， 構件的變形隨著荷載的增大，當構件應力未超過材料的彈性極限時，首先構件將會產生彈性變形， 當構件應力超過材料的彈性極限后，構件發生塑性變形。同時由于荷載的持續作用，構件在應力不變狀態下會發生徐變。

在計算溫度應力過程中，一般會進行假定，即假定徐變的應力和應變成正比，可以得到時間t的總應變為：

在施工工況溫度應力計算時，松弛系數Kp=0.3。

2.5 計算工況

考慮到渡槽結構在運行過程中的受力特點，主要考慮了以下10種計算工況［5］：其中水槽設計深度用S表示，涵洞設計水深用HD表示，滿槽水深用M表示，渡槽自重用Z表示，河道設計水深揚壓力用Y表示，風荷載用F表示，溫升應力值用WS表示，溫降應力值用WJ表示，人活動荷載用R表示，檢修荷載用JX表示，涵洞設計深度用H表示，渡槽內水荷載用NH表示：

分析工況1考慮了：Z+S （槽內水深6.79m）+HD（洞內水深2m）+Y+F+WS+R；

分析工況2考慮了：Z+M（槽內水深8m）+HD+Y+F+WS+R；

分析工況3考慮了：Z+S+F+WS+R；

分析工況4考慮了：Z+S+F+WJ+R；

分析工況5考慮了：Z+M+F+WS+R；

分析工況6考慮了：Z+M+F+WJ+R；

分析工況7考慮了：Z+F+S（一槽設計水深，一槽無水）+WS+JX；

分析工況8考慮了：Z+F+S（一槽設計水深，一槽無水）+WJ+JX；

分析工況9考慮了：Z+WS；

分析工況10考慮了：Z+WJ。

3 渡槽結構分析

3.1 分析路徑

對沙河涵洞式渡槽結構進行有限元分析時，定義如圖2的分析路徑，下面分別給出路徑應力分布情況。

圖2 渡槽結構分析路徑示意圖

3.2 應力分析

在如圖2的分析路徑上，各工況下渡槽和涵洞的縱向應力變化曲線如圖3～圖7。

從圖3～圖4可知， 涵洞式渡槽底板在縱向呈現“連續梁” 的性質主要表現： 從路徑2的分析結果可見，在底板上側跨中位置處受壓，“支座”位置處受拉；從路徑4的分析結果可見，在底板下側側跨中位置處受拉，“支座”位置處受壓；通過分析可知，分析工況5下出現拉滓拉max＝1.227MPa， 分析工況2下出現滓壓max＝0.334MPa。可見涵洞式渡槽底板位置上表面跨中出現壓區，上表面支座出現出現拉區，下表面跨中出現拉區，下表面支座出現壓區，此分析結果可為設計參考。

圖3 路徑2上渡槽縱向（Y向）應力變化曲線（MPa）

圖4 路徑4上渡槽縱向（Y向）應力變化曲線（MPa）

圖5 路徑7上涵洞縱向（X向）應力變化曲線（MPa）

圖6 路徑10上涵洞縱向（X向）應力變化曲線（MPa）

圖7 路徑13上涵洞縱向（X向）應力變化曲線（MPa）

從圖5～圖7可知，受渡槽側墻的影響，涵洞頂部的縱向在每個渡槽的中部受拉，端部受壓，最大拉應力為1.206MPa（工況6），最大壓應力為0.839MPa（工況2）。 涵洞底部上表面沿縱向在所有工況下基本受壓，但在涵洞的內端部形成拉應力集中區。在涵底部下表面沿縱向在所有工況下受較小的拉應力， 但在涵洞的內端部形成壓力應力集中區。

3.3 變形分析

考慮了S，Z，Y，F，WS，WJ，HD，NH等單荷載因素對涵洞式渡槽的沉降量、 沉降量差及槽頂橫向相對位移的影響情況。 通過計算結果分析表明，Z和NH是影響沉降量的主要因素，WS不是運營期的結構沉降的影響因素。 Z和NH是影響涵洞式渡槽頂部橫向相對位移的主要因素， 且并排相鄰的兩個槽頂有趨于靠近的位移變化；在WS和WJ作用下，溫升過程中渡槽兩側墻位移使其有趨于分開趨勢， 溫降過程中兩槽頂呈靠近有趨于靠近的位移變化。 在分析工況6下， 涵洞式渡槽槽頂橫向相對位移達為S*max=3.445cm；在分析工況2下，沉降量Smax=-7.417cm，沉降量差為ΔSmax=1.003cm； 經過計算分析得出工況2、工況5、工況6為應變最大的3種工況，其最具代表性工況2的應用云圖如圖8～圖9。

圖8 工況2下渡槽整體豎向位移云圖（m）

圖9 工況2下渡槽槽身橫向位移云圖（m）

4 結語

（1）工況5在運營期間環向拉應力最大，因此在對涵洞式渡槽結構設計時，可把工況5作為控制工況。

（2）根據涵洞式渡槽結構應力分布特點，在涵洞式渡槽底板縱向配筋時， 應使受力鋼筋符合連續梁的配筋原則，即在跨中鋼筋靠下側布置，在支座處鋼筋靠上側布置。

（3）從應力分析結果可以得出，涵洞式渡槽上的拉應力和壓應力較小，通過配筋加強，能夠滿足抗裂設計的要求。

（4）在各種單荷載計算過程因素中，對涵洞式渡槽的沉降量和槽頂橫向位移量影響較大的因素主要是涵洞式結構自重和渡槽輸送水時的荷載。