沙河板梁式渡槽運營中應(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)濟及社會影響巨大。因此在設(shè)計、施工及運營過程中應(yīng)保證其具有足夠的剛度、強度和穩(wěn)定性。本文通過有限元軟件，建立槽墩及槽身的三維模型，以沙河渡槽作為研究對象，分析在運營過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)計和施工提供了非常重要的工程價值和指導(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，終點為河南省魯山坡流槽出口處50m的位置。該工程的設(shè)計流量為320m3∕s，最大流量為380m3∕s。起點的斷面設(shè)計水位為132.37m，終點設(shè)計水位為130.489m。該渡槽總長11.963km，其中明渠長2.888km，建筑物長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)前國內(nèi)最大的梁式渡槽。施工過程中，為了正確選擇最佳的施工方案，針對沙河板梁式渡槽結(jié)構(gòu)體型大、受力復(fù)雜等諸多問題，采用有限單元法對沙河板梁式渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

2 渡槽結(jié)構(gòu)計算模型

2.1 基本參數(shù)

沙河渡槽設(shè)計時流量約320m3∕s，單槽設(shè)計流量約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)的模擬單元劃分按圖1所示進(jìn)行模擬。該模型范圍為槽身沿運營期水流方向取一跨渡槽作為研究對象，上下各取約30m，地基土的深度取從地表開始垂直向下取30m；沿橫向取長約70 m；總長約105m左右。

圖1 渡槽、槽墩及巖體單元劃分圖

2.3 單元選取

本文通過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 計算工況

結(jié)合實際情況，考慮到沙河渡槽結(jié)構(gòu)在工作過程中周圍荷載的施加情況，即自重荷載（用字母ZZ表示）、三項預(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 計算結(jié)果分析

3.1 計算路徑

為了能有效分析沙河渡槽上各個關(guān)鍵點所處應(yīng)力如何隨工況的變化而變化，沿著運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，計算點、分析點位于渡槽左側(cè)1∕2跨的墻體內(nèi)表面處，分析點①～③均布于左側(cè)墻上，分析點④～⑥均布于底板上，分析點⑦～⑨均布于中墻上。其工況1下，①～⑨計算關(guān)鍵點中最大、最小縱向應(yīng)力（MPa）分別分布于⑨、④關(guān)鍵點（-6.757、-1.883），環(huán)向應(yīng)力最大、最小分布于③、④關(guān)鍵點（-4.863、-1.102）；其工況3 下，①～⑨計算關(guān)鍵點中最大、最小縱向應(yīng)力（MPa）分別分布于⑨、④關(guān)鍵點（-8.101、-3.127），環(huán)向應(yīng)力最大、最小分布于②、④關(guān)鍵點（-5.981、-0.850）；其工況5下，①～⑨計算關(guān)鍵點中最大、最小縱向應(yīng)力（MPa）分別分布于⑨、④關(guān)鍵點（-7.947、-0.461），環(huán)向應(yīng)力最大、最小分布于②、④關(guān)鍵點（-7.203、-1.063）；其工況7下，①～⑨計算關(guān)鍵點中最大、最小縱向應(yīng)力（MPa）分別分布于⑨、⑥關(guān)鍵點（-8.165、-2.060），環(huán)向應(yīng)力最大、最小分布于②、④關(guān)鍵點（-5.997、-1.011）。通過對沙河渡槽分析模型上①～⑨關(guān)鍵點的4種工況進(jìn)行計算分析，得出其關(guān)鍵點的縱向應(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分析過程中橫向應(yīng)力變化曲線變化幅度較小且趨于平緩，同時路徑2分析過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)渡槽在沒有水流通過渡槽時，渡槽有明顯的“向上”豎向位移，但是當(dāng)渡槽進(jìn)入運營期有水流通過渡槽后，渡槽出現(xiàn)與沒有水流通過時相反的豎向位移，分析可見運營期水流通過渡槽對渡槽變形影響顯著。

4 結(jié)束語

本文通過對沙河板梁式矩形渡槽進(jìn)行有限元建模分析，共計考慮了渡槽運營期間的8種分析工況，分析了3種計算路徑及其上的應(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。同時分析了多種單向荷載下對渡槽變形的影響，結(jié)果表明采用預(yù)應(yīng)力渡槽進(jìn)行運營是可靠的，滿足輸水運營要求。同時還分析了渡槽在運營期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)力矩形渡槽運營期的設(shè)計和施工提供一定的參考依據(jù)。