新疆某渡槽結構安全性分析研究

陳學光

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830001)

1 目的

某渡槽地處北疆地區，日夜溫差和季節性溫差較大，冬季寒冷且歷時較長；另外，北疆地區寒潮頻繁，夏季太陽輻射大，冬季氣溫低及干濕交替等氣候條件復雜多變，給渡槽安全運行帶來極大挑戰[1]；如何確定渡槽運行期溫度荷載并合理評價嚴寒地區渡槽運行安全性，是一個重要問題。然而現有規范[2]對于渡槽溫度荷載計算未充分考慮渡槽運行特點，因此，本文從渡槽溫度應力分布特點出發，研究渡槽溫度荷載確定方法，在此基礎上對新疆某大型梁式渡槽進行安全性分析評價研究。

2 研究方法

2.1 溫度荷載確定

輸水渡槽槽身結構溫度變化一是施工期混凝土水化熱引起的溫度變化；二是運行期受周圍介質溫度變化而導致結構內部發生溫度變化。根據SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》溫度作用設計原則，按照第11.1.2條規定：“溫度作用應按下列情況分別考慮，…，拱和框架等非大體積鋼筋混凝土結構可只考慮運行期的溫度作用…”[3]。在長周期溫度作用下，渡槽內溫度變化比較均勻，結構將產生較大的整體變形，由于支承條件約束，在結構內形成溫度應力，一般來講，這種溫度應力不是很大。對于短期溫度變化而言，其變化速度很快，而且在結構各表面引起溫度變化也不相同，渡槽產生整體位移往往不太大，卻能在局部形成較大溫度應力[4]。

從渡槽結構受力特點來看，其縱向和橫向受力結構型式對溫度應力相當敏感；縱向方面，可簡化為簡支梁結構，外荷載作用下可自由伸縮，產生的溫度應力較小，考慮到超過20m以上梁式渡槽縱向基本都布置預應力鋼筋，槽身橫斷面具有一定的預壓余度，溫度應力對結構影響較小甚至可以忽略；而橫向方面，為典型的超靜定結構，溫度應力較大。綜合以上分析，對于梁式渡槽運行期結構安全評估而言，應重點關注長周期溫度荷載對渡槽橫向受力方面的影響。

關于渡槽結構運行期溫度荷載選取方面，采用當地最高和最低月平均氣溫減去結構澆筑、安裝或合攏時的氣溫，即公式(1)。

(1)

式中，T1、T3—最高和最低月平均氣溫，℃；T2—結構澆筑、安裝或合攏時的氣溫。

然而渡槽運行期溫度應力決定于溫度場邊界條件，氣溫和水溫變化影響最為顯著。運行期渡槽溫度荷載，應重點關注外界氣溫和水溫的聯合作用，如圖1所示。綜合以上分析結合南水北調中線工程沙河、午河及洺河等渡槽研究成果，長周期溫度荷載邊界條件按穩態考慮，溫差取多年月平均最高或最低氣溫與水溫差[6-7]，即：

(2)

式中，T1、T3—最高和最低月平均氣溫，℃；Tm—氣溫最高和最低時對應的水溫；若冬季不通水，則溫降荷載取0℃。

根據數據分析，冬季最大溫降幅度取0℃，夏季最大溫升幅度取11℃。如上2個溫度差值將作為溫降、溫升荷載，用于渡槽安全評估。

2.2 動水壓力確定

水體與槽體相互作用問題屬于結構動力學中的流固耦合振動問題，當前考慮流固耦合作用槽體內水體簡化的方法大體上分兩種[8]：①線性方法，把水體當作附加質量作用于渡槽結構上，與槽體一起進行動力研究，如Housner水體簡化模型、附加質量模型；②非線性方法，研究流體非線性晃動對槽體的影響，如邊界元法和任意拉格朗日歐拉(ALE型)有限元法等。

采用Housner水體簡化模型來考慮動水壓力影響，即作用在矩形或U型渡槽的順槽向各截面槽體內的動水壓力可采用圖2所示，將其分為沖擊壓力和對流壓力兩部分[9]。

圖2 動水壓力計算模型示意圖

要實現上述動水壓力，可借助質量單元和彈簧單元來實現；以Ansys軟件為例，可選擇Mass21質量單元和Combine40彈簧單元來模擬動水壓力。

2.3 計算模型

計算模型僅考慮上部槽身結構，同時槽端考慮盆式支座的約束作用。根據設計提供資料建立渡槽有限元模型，其中，坐標原點取渡槽一端底板跨中底部位置，x向取渡槽橫向，y向取渡槽縱向，z軸位于渡槽截面中心線上，方向取鉛直方向，以向上為正。實體模型采用8節點等參單元，錨索采用三維錨索隱式單元，共形成實體單元236180個，錨索單元1464個，節點269606個；單個網格尺寸在槽身橫向約0.05m，在縱向為0.125m(頂部拉桿位置)和0.3m(頂部無拉桿位置)；渡槽4個支撐部位的底部利用不同方向約束的可滑動接觸單元模擬簡支約束。渡槽靜力計算與動力計算采用的模型均一致。如圖3—4所示。

圖3 渡槽有限元網格模型

圖4 錨索有限元模型

2.4 應力控制標準

輸水渡槽槽身混凝土設計標號為C50，根據SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》規定，當環境條件為二類時，裂縫控制等級為二級。渡槽采用以下標準：

槽身正截面內外壁處法向應力：σck-σpc≤0.7ftk=1.85MPa；

槽身主拉應力：σtp≤0.85ftk=2.24MPa；

槽身主壓應力：σcp≤0.6fck=19.44MPa

2.5 計算工況

鑒于該渡槽在冬季不運行的特點，荷載組合中的溫度荷載僅考慮溫升情況；渡槽完建時，槽內未通水，槽體內外壁溫度基本等同于外界氣溫，溫差荷載按零來考慮；另外，按照相關規范，地震工況下，水荷載按設計水位進行考慮。

2.6 靜力安全評價

正常水位工況下，由于水荷載和溫升荷載聯合作用，使得渡槽內壁受拉，外壁受壓。由渡槽應力分布云圖可知(如圖5—6所示)，內壁環向除底板中部區域外，其他區域受拉，拉應力基本在1.5MPa以內，其中，邊墻底部(即距八字墻頂部0.7m區域內)、八字墻與邊墻及底板連接處等部位的環向拉應力超過了1.85MPa，最大可達3.0MPa；內壁縱向跨中區域受拉，拉應力基本在0.3～0.8MPa之間，最大拉應力出現在跨中位置底板與八字墻連接處，可達1.1MPa；內壁第一主應力全部為拉應力，大部分區域拉應力在2.24MPa以內，邊墻底部以及底板兩側部分區域的主拉應力超過2.24MPa，甚至達到3.0MPa。渡槽外壁環向及縱向絕大部分區域受壓，除端部及支座附近區外存在應力集中外，環向壓應力基本在3.0MPa以內，最大壓應力不超過7MPa，縱向壓應力基本在3.5MPa以內，最大壓應力不超過7MPa；外壁第一主應力基本在0.5MPa以內。

圖5 正常水位工況時內壁應力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖6 正常水位工況時外壁應力分布云圖(單位：0.01MPa)

由各典型橫斷面應力分布云圖可知(如圖7所示)可知，正常水位工況下溫升荷載使底板呈上彎變形，邊墻呈外彎變形，水荷載使底板呈下彎變形，邊墻呈外彎變形，各荷載綜合作用結果，使得渡槽內壁受拉，外壁受壓；底板頂面兩側區域(即八字墻與底板連接處往槽軸線方向)存在橫向拉應力超標區(即拉應力超過1.85MPa)，其深度最大達到0.6cm，寬度最大可達0.25m，長度方向基本貫穿整個槽身內壁；邊墻內壁下部區域(即八字墻往上方向)存在豎向拉應力超標區，其深度最大可到1.0cm，高度最大可達0.7m，長度方向基本貫穿整個槽身內壁。

圖7 正常工況各斷面應力分布云圖(左圖為橫向應力，右圖為豎向應力；單位：0.01MPa)

綜合槽身內外壁以及各典型橫斷面應力分析結果，內壁環向局部位置存在超標拉應力(即拉應力大于1.85MPa)，縱向不存在超標拉應力，這使得槽身局部區域難以滿足“裂縫控制等級二級”的要求。槽身外壁環向及縱向基本為壓應力，主拉應力均小于0.5MPa，主壓應力均小于7.0MPa，因此，外壁滿足“裂縫控制等級二級”的要求。

2.7 動力安全評價

由渡槽應力分布云圖可知(如圖8所示)，地震工況下邊墻下部及八字墻附近區域環向受拉，拉應力基本在1.5MPa以內，其中，邊墻底部(即距八字墻頂部0.35m區域內，深度約0.7cm)、八字墻與邊墻及底板連接處等部位的環向拉應力超過了1.85MPa，最大可達3.0MPa；內壁縱向跨中位置八字墻與底板連接處存在很小的受拉區，拉應力基本在0.4MPa以內，其他區域受壓；內壁第一主應力全部為拉應力，大部分區域拉應力在1.50MPa以內，邊墻底部以及底板兩側部分區域的主拉應力超過2.24MPa，甚至達到3.0MPa。外壁環向邊墻上部以及底板大部分區域受拉，拉應力基本在1.50MPa以內，其中，底板中部區域拉應力超過1.85MPa，最大可達2.10MPa；跨中及支座位置縱向存在一定范圍受拉區，最大拉應力不超過0.5MPa，其他區域均受壓；外壁第一主應力基本在2.20MPa以內。

圖8 地震工況各斷面應力分布云圖(左圖為橫向應力，右圖為豎向應力；單位：0.01MPa)

根據以上分析可知，地震工況下內壁環向局部位置存在超標拉應力(即拉應力大于1.85MPa)，縱向不存在超標拉應力，這使得槽身局部區域難以滿足“裂縫控制等級二級”的要求。

3 結語

經計算分析，可得出以下結論：

(1)渡槽運行期溫度應力決定于溫度場邊界條件，氣溫和水溫變化影響最為顯著，結合南水北調中線工程沙河、午河及洺河等渡槽研究成果，長周期溫度荷載邊界條件按穩態考慮，溫差取多年月平均最高或最低氣溫與水溫差。

(2)現有設計條件下，溫升荷載使得內壁邊墻底部、八字墻與邊墻及底板連接處等部位存在環向拉應力超標區，而縱向不存在超標拉應力，這就導致槽身內壁局部區域難以滿足“裂縫控制等級二級”的要求；渡槽外壁應力均小于允許應力，能夠滿足“裂縫控制等級二級”的要求。盡管渡槽局部出現拉應力，但拉應力均小于C50混凝土容許拉應力，說明槽身整體安全性是可以保證的。

(3)鑒于現有設計條件下，渡槽內壁可能會出現局部的應力超標區，建議對渡槽內壁采用噴涂聚脲彈性體技術進行防滲處理，以增加結構的耐久性。

4 創新點及意義

(1)輸水渡槽安全性分析研究為高寒地區薄壁結構為首座采用有限元模擬分析計算的渡槽工程。

(2)輸水渡槽安全性分析研究第一次細化了規范對溫度荷載要求，綜合考慮了工程施工及運行中的不同使用環境。

(3)輸水渡槽應力分析的研究成果及應用實施為高寒地區薄壁結構的設計提供了寶貴經驗。