沙河板梁式渡槽運(yùn)營(yíng)中應(yīng)力分布及變形的仿真分析

姬棟宇

（湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101）

0 引言

大型渡槽工程及槽墩受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)體型大，一旦發(fā)生破壞，造成的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)影響巨大。因此在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)保證其具有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本文通過(guò)有限元軟件，建立槽墩及槽身的三維模型，以沙河渡槽作為研究對(duì)象，分析在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不同工況下渡槽的應(yīng)力分布及變形情況，為渡槽的設(shè)計(jì)和施工提供了非常重要的工程價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 工程概況

沙河渡槽是南水北調(diào)中線一期工程總干渠工程的組成部分，該工程的起點(diǎn)是從河南省魯山縣薛寨村以北，從沙河以南到黃河南段，終點(diǎn)為河南省魯山坡流槽出口處50m的位置。該工程的設(shè)計(jì)流量為320m3∕s，最大流量為380m3∕s。起點(diǎn)的斷面設(shè)計(jì)水位為132.37m，終點(diǎn)設(shè)計(jì)水位為130.489m。該渡槽總長(zhǎng)11.963km，其中明渠長(zhǎng)2.888km，建筑物長(zhǎng)9.075km。

在南水北調(diào)中線一期的建設(shè)工程中，沙河渡槽是一條支流（全長(zhǎng)7590m），屬于淮河流域沙潁河水系一條主要的支流，流域的總面積為3713 km2。沙河渡槽共分四部分，分別依次為沙河板梁式渡槽、旱渡槽（第一段）、大郎河板梁式渡槽和旱渡槽（第二段）。在四部分渡槽中板梁式渡槽為雙線四槽，為1500m，是預(yù)應(yīng)力預(yù)制而成的渡槽，采用整體式吊裝，槽墩間距30m，一次吊裝重量1200t，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)最大的梁式渡槽。施工過(guò)程中，為了正確選擇最佳的施工方案，針對(duì)沙河板梁式渡槽結(jié)構(gòu)體型大、受力復(fù)雜等諸多問(wèn)題，采用有限單元法對(duì)沙河板梁式渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

2 渡槽結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.1 基本參數(shù)

沙河渡槽設(shè)計(jì)時(shí)流量約320m3∕s，單槽設(shè)計(jì)流量約80m3∕s，單槽加大流量后約為95m3∕s，其跨度為45m，其中糙率系數(shù)0.014，預(yù)應(yīng)力筋采用Фj15 鋼絞線，其中fptk=1860MPa，Es=180GPa。槽身采用C50混凝土，槽墩采用C25混凝土，所澆筑渡槽單槽凈寬、凈高、側(cè)墻厚度、中墻厚度及底板厚度依次是7.0m、7.8m、0.6m，0.8m，0.4m。

2.2 模型范圍

模擬過(guò)程中，沙河渡槽槽身、槽墩及沙河渡槽下部地基基礎(chǔ)的模擬單元?jiǎng)澐职磮D1所示進(jìn)行模擬。該模型范圍為槽身沿運(yùn)營(yíng)期水流方向取一跨渡槽作為研究對(duì)象，上下各取約30m，地基土的深度取從地表開始垂直向下取30m；沿橫向取長(zhǎng)約70 m；總長(zhǎng)約105m左右。

圖1 渡槽、槽墩及巖體單元?jiǎng)澐謭D

2.3 單元選取

本文通過(guò)建立沙河板梁式渡槽三維立體模型分析在不同工況下其受力情況。在建模及受力分析過(guò)程中，槽身、槽墩及沙河渡槽下部地基基礎(chǔ)應(yīng)用三維等參體進(jìn)行建模分析；渡槽槽身所使用的預(yù)應(yīng)力鋼筋及渡槽支座等桿件應(yīng)用桿單元進(jìn)行模擬分析；預(yù)應(yīng)力端部的錨具及墊板應(yīng)用殼單元進(jìn)行模擬分析。

2.4 計(jì)算工況

結(jié)合實(shí)際情況，考慮到沙河渡槽結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中周圍荷載的施加情況，即自重荷載（用字母ZZ表示）、三項(xiàng)預(yù)應(yīng)力（用字母SZ表示）、人行荷載（用字母RZ表示）、風(fēng)荷載（用字母FZ 表示）、溫降（用字母WJ 表示）、溫升（用字母WS表示）、設(shè)計(jì)水深（用字母SS表示）、滿槽水深（用字母MS表示）及地震荷載（用字母DZ表示）等情況，在工況模擬分析過(guò)程中考慮了8種組合荷載工況分別是：工況1 考慮：RZ+WS+ZZ+FZ+SZ；工況2 考慮：WJ+ZZ+RZ+SZ+FZ；工況3 考慮：SZ+SS+FZ+WS+ZZ+RZ；工況4考慮：SS+WJ+ZZ+SZ+FZ+RZ；工況5 考慮：MS+FZ+SZ+RZ+WS+ZZ；工況6考慮：RZ+WJ+ZZ+MS+FZ+SZ；工況7考慮：FZ+SS+DZ+RZ+WS+ZZ+SZ；工況8 考慮：DZ+SZ+RZ+SS+WJ+FZ+ZZ。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算路徑

為了能有效分析沙河渡槽上各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)所處應(yīng)力如何隨工況的變化而變化，沿著運(yùn)水方向在沙河渡槽內(nèi)的左側(cè)表面分別設(shè)置了有3種計(jì)算路徑。其中路徑1為底板和沙河渡槽左側(cè)墻交界線；路徑2為沙河渡槽底板的中線；路徑3為沙河渡槽槽頂沿左側(cè)面墻頂頂部。

3.2 應(yīng)力分析

通過(guò)應(yīng)力分析，分別考慮了工況1：RZ+WS+ZZ+FZ+SZ；工況3：SZ+SS+FZ+WS+ZZ+RZ；工況5：MS+FZ+SZ+RZ+WS+ZZ；工況7：FZ+SS+DZ+RZ+WS+ZZ+SZ 四種組合工況下的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，計(jì)算點(diǎn)、分析點(diǎn)位于渡槽左側(cè)1∕2跨的墻體內(nèi)表面處，分析點(diǎn)①～③均布于左側(cè)墻上，分析點(diǎn)④～⑥均布于底板上，分析點(diǎn)⑦～⑨均布于中墻上。其工況1下，①～⑨計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)中最大、最小縱向應(yīng)力（MPa）分別分布于⑨、④關(guān)鍵點(diǎn)（-6.757、-1.883），環(huán)向應(yīng)力最大、最小分布于③、④關(guān)鍵點(diǎn)（-4.863、-1.102）；其工況3 下，①～⑨計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)中最大、最小縱向應(yīng)力（MPa）分別分布于⑨、④關(guān)鍵點(diǎn)（-8.101、-3.127），環(huán)向應(yīng)力最大、最小分布于②、④關(guān)鍵點(diǎn)（-5.981、-0.850）；其工況5下，①～⑨計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)中最大、最小縱向應(yīng)力（MPa）分別分布于⑨、④關(guān)鍵點(diǎn)（-7.947、-0.461），環(huán)向應(yīng)力最大、最小分布于②、④關(guān)鍵點(diǎn)（-7.203、-1.063）；其工況7下，①～⑨計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)中最大、最小縱向應(yīng)力（MPa）分別分布于⑨、⑥關(guān)鍵點(diǎn)（-8.165、-2.060），環(huán)向應(yīng)力最大、最小分布于②、④關(guān)鍵點(diǎn)（-5.997、-1.011）。通過(guò)對(duì)沙河渡槽分析模型上①～⑨關(guān)鍵點(diǎn)的4種工況進(jìn)行計(jì)算分析，得出其關(guān)鍵點(diǎn)的縱向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力基本全為壓應(yīng)力，且渡槽輸水工況和沒(méi)有輸水工況相比，其縱向應(yīng)力、環(huán)向壓應(yīng)力明顯較小。

通過(guò)分析8種不同的分析工況下路徑1～路徑3上的應(yīng)力變化情況，結(jié)果是：8種分析工況下路徑2分析過(guò)程中縱向壓應(yīng)力變化幅度較大，在工況1：RZ+WS+ZZ+FZ+SZ及工況2：WJ+ZZ+RZ+SZ+FZ下縱向壓應(yīng)力較大，在工況5：MS+FZ+SZ+RZ+WS+ZZ及工況6：RZ+WJ+ZZ+MS+FZ+SZ下縱向壓應(yīng)力較小；8種分析工況下路徑2分析過(guò)程中橫向應(yīng)力變化曲線變化幅度較小且趨于平緩，同時(shí)路徑2分析過(guò)程中渡槽端部橫向應(yīng)力變化幅度較大；8種分析工況下路徑1分析過(guò)程中各工況下渡槽端部縱向壓應(yīng)力較為接近，其中路徑1的縱向壓應(yīng)力變化幅度較小且趨于平緩；8種分析工況下路徑3分析過(guò)程中縱向壓應(yīng)力變化曲線較為平滑，但是工況2：WJ+ZZ+RZ+SZ+FZ的縱向壓應(yīng)力較小。

3.3 變形分析

圖2、圖3給出了組合工況1到組合工況8情況下，路徑2、路徑3沙河渡槽豎向位移變化曲線。

圖2 8種工況下路徑2的豎向位移變化曲線

圖3 8種工況下路徑3的豎向位移變化曲線

從圖2和圖3可以看出，當(dāng)渡槽在沒(méi)有水流通過(guò)渡槽時(shí)，渡槽有明顯的“向上”豎向位移，但是當(dāng)渡槽進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期有水流通過(guò)渡槽后，渡槽出現(xiàn)與沒(méi)有水流通過(guò)時(shí)相反的豎向位移，分析可見(jiàn)運(yùn)營(yíng)期水流通過(guò)渡槽對(duì)渡槽變形影響顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)沙河板梁式矩形渡槽進(jìn)行有限元建模分析，共計(jì)考慮了渡槽運(yùn)營(yíng)期間的8種分析工況，分析了3種計(jì)算路徑及其上的應(yīng)力變化，給出了沙河渡槽結(jié)構(gòu)在各組合施工工況下應(yīng)力及變形的分布規(guī)律。同時(shí)分析了多種單向荷載下對(duì)渡槽變形的影響，結(jié)果表明采用預(yù)應(yīng)力渡槽進(jìn)行運(yùn)營(yíng)是可靠的，滿足輸水運(yùn)營(yíng)要求。同時(shí)還分析了渡槽在運(yùn)營(yíng)期8種不同分析工況下，渡槽內(nèi)表面基本全為壓應(yīng)力。以上研究為預(yù)應(yīng)力矩形渡槽運(yùn)營(yíng)期的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考依據(jù)。