姬棟宇

（1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州 450002；2.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，湖南 湘潭 411101）

1 工程概況

鐵路橋倒虹吸工程位于遼寧省復(fù)縣松樹(shù)水庫(kù)干渠上，管道穿越長(zhǎng)春—大連鐵路橋北孔中心處，并與鐵路橋正交，進(jìn)出口為鋼筋混凝土豎井，并與石拱渡槽相接。該倒虹吸設(shè)計(jì)流量8m3/s，設(shè)計(jì)水頭10.6m，最大水頭12.5m，水頭損失0.4m，流速1.51m/s。 倒虹吸管內(nèi)徑2.6m， 壁厚0.22m， 糙率0.017， 全長(zhǎng)83.80m。倒虹吸管混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，全管共有3條伸縮縫，即管身與進(jìn)出口豎井連接處各1條，水平管中部1條。

2 結(jié)構(gòu)

2.1 模型參數(shù)

鐵路橋倒虹吸管采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，彈性模量E1為25.5GPa，泊松比μ1為0.167，容重γ1為24kN/m3。 混凝土底部設(shè)有墊層，墊層的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15，彈性模量E2為22GPa，泊松比為μ20.167［1］。 鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為Ⅱ級(jí)，彈性模量Es為200GPa，泊松比μs為0.28。

2.2 單元?jiǎng)澐?/h3>

鋼筋混凝土豎井、倒虹吸管、墊層及覆土模型采用8節(jié)點(diǎn)等參塊體單元模擬，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)平動(dòng)自由度，常應(yīng)用于分析實(shí)體結(jié)構(gòu)的三維模型中［2］。該計(jì)算模型模擬了整個(gè)倒虹吸管從進(jìn)口到出口部分，模型長(zhǎng)度為55m，鋼筋混凝土豎井高14.4m，墊層厚度為0.6m。豎井式倒虹吸結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)鐵路橋倒虹吸工程在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的受力特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)分析主要考慮了3種計(jì)算工況［4］：工況1，倒虹吸管自重（施工工況）；工況2，結(jié)構(gòu)自重＋最小水頭10.6m（運(yùn)營(yíng)工況）；工況3，結(jié)構(gòu)自重＋設(shè)計(jì)水頭12.5m（運(yùn)營(yíng)工況）。

3 結(jié)果分析

3.1 路徑

鐵路橋倒虹吸管以中間斷面開(kāi)始，每隔4.0m選取1個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，沿著水流方向在倒虹吸管內(nèi)表面確定了3條計(jì)算路徑，用以分析該倒虹吸結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。路徑1，倒虹吸管頂；路徑2，倒虹吸管腰；路徑3，倒虹吸管底。

3.2 應(yīng)力

鐵路橋倒虹吸工程在各個(gè)工況下分析路徑關(guān)鍵點(diǎn)上的環(huán)向應(yīng)力的分布情況如表1所示。

表1 各個(gè)工況下分析路徑關(guān)鍵點(diǎn)上的環(huán)向應(yīng)力 單位：MPa

從表1可以看出，在工況1下倒虹吸管的環(huán)向應(yīng)力值較小，路徑2的環(huán)向應(yīng)力為壓應(yīng)力，這主要是由于在自重作用下，倒虹吸管腰處受壓，管頂和管底處受拉，因此路徑1、3為環(huán)向拉應(yīng)力，而路徑2為環(huán)向壓應(yīng)力。工況2、3下，倒虹吸管為環(huán)向拉應(yīng)力，并且隨著水位的增加，其環(huán)向拉應(yīng)力也在增加，各工況下關(guān)鍵點(diǎn)⑧上的環(huán)向應(yīng)力值稍大，主要關(guān)鍵點(diǎn)⑧是倒虹吸管和豎井的交界點(diǎn)，在此處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致其環(huán)向應(yīng)力值稍大。在各個(gè)工況下，倒虹吸管的管頂和管底環(huán)向應(yīng)力大于管腰處的環(huán)向應(yīng)力，主要原因是結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的作用。

由于倒虹吸管和豎井的交界處應(yīng)力值較大，下面給出了工況3下倒虹吸管和豎井的交界處的環(huán)向、軸向應(yīng)力等值線圖，如圖2、3所示。

從圖2、3可以看出，在倒虹吸管和豎井的交界處的環(huán)向、軸向應(yīng)力值較大，分布較為復(fù)雜。特別是在管頂處，其最大環(huán)向拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了1.35MPa，這主要是在交界處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象所導(dǎo)致的結(jié)果。但倒虹吸管的軸向應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其環(huán)向應(yīng)力值，最大軸向應(yīng)力值僅為0.201MPa。

3.3 變形

由于在整個(gè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中工況3水壓力最大，并且是設(shè)計(jì)工況，下面給出倒虹吸結(jié)構(gòu)的總位移云圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，倒虹吸結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在豎井頂端，其最大位移為0.126mm，位移基本上呈層狀分布，這是因?yàn)榈购缥Y(jié)構(gòu)的位移主要是由于結(jié)構(gòu)的自重所引起的基礎(chǔ)沉降，也就是說(shuō)倒虹吸管發(fā)生了整體向下位移的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鐵路橋倒虹吸結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力和變形都較小，能夠滿足強(qiáng)度和剛度要求，該設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。

［1］SL/T191—96，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法（第二版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［3］李惠英，田文鐸，閻海新.倒虹吸管［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.