某“U”型薄殼渡槽結構對彈性模量變化的敏感性分析

查龍青，蘇豪，陳海軍 （安徽省路港工程有限責任公司，安徽 合肥 230022）

渡槽作為輸水建筑物，在灌溉工程中起了非常重要的作用。“U”型薄殼渡槽能夠高效節省材料和工期，但其耐久性一般，使用壽命較短，在實際運行過程中，發生了不少安全事故[1]。渡槽混凝土材料的彈性模量對渡槽結構應力和變形有一定的影響，選擇合適的彈性模量，對渡槽整體結構穩定非常關鍵，但目前較少進行“U”型薄殼渡槽結構對彈性模量變化的敏感性分析。本文以某“U”型薄殼渡槽為例，選用8節點6面體等參單元模型對“U”型薄殼渡槽進行有限元建模分析，模擬具體工況下渡槽結構穩定對槽體、排架彈性模量變化的敏感性分析。本文的研究成果可為今后渡槽工程的結構穩定分析研究提供參考，并希望能夠給予類似工程的除險加固處理等提供理論借鑒。

1 工程概況

某“U”型薄殼渡槽全長1092m，共計31 跨，其中：29 跨36m 長，1 跨32m長，1 跨16m 長。渡槽槽壁厚0.05m，凈寬3.4m，凈高3m，斷面形式為鋼絲網半圓形，槽身標準段為36m 跨雙懸；排架斷面尺寸0.35m×0.9m，最大高度28m；基礎62 個，其中7 個因地質問題，采用沉井方法，其余均按條形基礎設計施工。槽身和排架采用預制吊裝施工。渡槽槽體的彈模為25GPa、泊松比為0.167、密度為2500kg/m3；沉井彈模為28GPa、泊松比為0.167、密度為2400kg/m3；其他混凝土結構彈模為25GPa、泊松比為0.167、密度為2400kg/m3。

2 渡槽有限元分析

2.1 計算模型

本次選用29 號渡槽作為研究對象。其槽身為雙軸對稱體系，過水斷面半圓部分外半徑1.75m，直墻部分高0.9m。槽身寬3.5m，槽身壁厚0.05m，高2.65m。縱向結構為雙懸臂裝配式。29號渡槽為低排架結構，并且兩個排架的高度相差較大，其對應的排架號為57#和58#。57#排架的高度為16.4m，58#排架的高度為12.6m。

在渡槽的三維計算模型中，混凝土結構均采用8節點6面體等參單元，對渡槽進行有限元離散。29 號渡槽三維有限元整體網格如圖1 所示，本次有限元分析選用整體式模型，即將單元當作連續均勻的材料處理，將混凝土與鋼筋彌散其中形成一個整體，然后求得單元剛度矩陣[2～3]。荷載組合為自重+風壓力+2m 水深，地面粗糙度為B 類，相關參數見規范[4]。

圖1 29號渡槽有限元網格

定義X軸正軸為渡槽槽殼右側，X軸負軸為渡槽槽殼左側，所施加風荷載的方向為X 軸反方向，本次對槽體的研究選取了外槽殼的左側。應力正負號規定：以拉應力為正、壓應力為負。位移正負號規定：X 軸正向，面向水流流向，右手邊為X 軸正向；Y 軸正向，沿高程向上的方向；Z軸正向，逆水流方向。

2.2 計算分析

計算結果見表1。渡槽槽體外殼面左側第一主應力最大值發生在跨中底部，第三主應力最大值發生在下支座下游底部；57#排架第一主應力最大值發生在排架左側3/4 高處，第三主應力最大值發生在排架左側底部；58#排架第一主應力最大值發生在排架左側2/3 高處，第三主應力最大值發生在排架左側底部。

槽體與排架的應力、位移特征值表 表1

槽體X 方向、Y 方向、Z 方向位移最大 值 分 別 為 6.87mm、5.81mm、1.80mm，分別發生在上游懸臂端頂部、跨中底部和上支座下游底部。57#排架X 方向、Y 方向、Z 方向位移最大值分別為4.99mm、1.91mm、5.35mm，58#排架X 方向、Y 方向、Z 方向位移最大值分別為3.08mm、1.47mm、3.42mm，57#和58#排架位移特征值均發生在排架左側頂部。

2.3 與現場檢測對比分析

利用現場檢測的跨中頂部撓度值和支座頂部撓度值與有限元計算結果進行對比：跨中頂部撓度值根據有限元計算結果為5.41mm，現場檢測結果為8.50mm；支座頂部撓度值根據有限元分析結果為1.50mm，現場檢測結果為1.20mm。根據撓度的對比結果分析，有限元計算結果與現場檢測相差不大，說明有限元計算結果的可靠性，因此，對本工程利用有限元的模擬可以提供一定的參考。

3 對彈性模量的敏感性分析

為探討渡槽槽體、排架逐漸降低混凝土彈模后對整體影響的變化規律，確定渡槽對槽體彈模敏感性分析的5 種方案為槽體彈模值的1.5 倍、1.25 倍、1 倍、0.5 倍和0.25 倍，渡槽對排架彈模敏感性分析的5 種方案為排架彈模值的1.5倍、1.25 倍、1 倍、0.5 倍和0.25 倍，分別分析主拉應力、主壓應力、X 方向位移和Y方向位移極值的變化規律。

3.1 對槽體彈性模量的敏感性分析

隨著槽體彈模的增大，槽體主拉應力極值有一定的變化，當槽體彈模變化倍數小于0.5 時，極值變化較大，槽體拉應力對槽體彈模很敏感；而主壓應力極值有一定變化較小，槽體壓應力對槽體彈模較敏感。在槽體彈模變化過程中，57#、58#排架的主拉應力極值基本保持穩定，排架主拉應力對槽體彈模不敏感；主壓應力極值有一定變化，當槽體彈模變化倍數小于1 時，57#、58#排架主壓應力對槽體彈模較敏感。

隨著槽體彈模的逐漸增大，槽體X方向和Y 方向的位移均呈現下降的趨勢，Y 方向的位移變化較大，X 方向位移變化較小，槽體X 方向位移對槽體彈模較敏感，Y 方向位移對槽體彈模很敏感。在槽體彈模變化過程中，57#、58#排架X方向和Y 方向位移均比較穩定，57#、58#排架X 方向和Y 方向位移對槽體彈模不敏感。

3.2 對排架彈性模量的敏感性分析

隨著排架彈模的增大，槽體主拉應力極值變化較小，主壓應力極值較為穩定，槽體主拉應力對排架彈模較敏感，主壓應力對排架彈模不敏感。在排架彈性模量變化過程中，57#、58#排架主拉應力極值比較穩定，主壓應力極值有一定變化，但變化值不大，排架主拉應力對排架彈模不敏感，排架主壓應力對排架彈模較敏感。

隨著排架彈模的增大，槽體、57#排架、58#排架X 方向、Y 方向位移極值變化均較大，槽體、排架X方向、Y方向位移對排架彈性均很敏感。

槽體彈模變化情況下各特征值變化表 表2

排架彈模變化情況下各特征值變化表 表3

4 結論

通過對“U”型薄殼渡槽的槽身及排架的應力、變形及對彈模的敏感性分析，主要得出以下結論：

①有限元計算結果與現場檢測相差不大，說明有限元計算結果的可靠性，利用有限元進行模擬計算可以為實際工程提供一定的參考；

②當槽體彈模變化倍數小于0.5時，槽體主拉應力對槽體彈模很敏感；槽體主壓應力對槽體彈模較敏感。57#、58#排架主拉應力對槽體彈模不敏感；當槽體彈模變化倍數小于1 時，57#、58#排架主壓應力對槽體彈模較敏感；

③槽體X 方向位移對槽體彈模較敏感，Y 方向位移對槽體彈模很敏感，57#、58#排架X 方向和Y 方向位移對槽體彈模不敏感；

④槽體主拉應力對排架彈模較敏感，主壓應力對排架彈模不敏感。排架主拉應力對排架彈模不敏感，排架主壓應力對排架彈模較敏感；

⑤槽體、57#排架、58#排架X 方向、Y方向位移對排架彈性均很敏感。