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        南水北調(diào)中線雙洎河渡槽橫桿受力分析

        2010-12-08 08:53:28李濤峰李鳳琴楊春景
        關(guān)鍵詞:橫桿渡槽拉桿

        李濤峰,李鳳琴,楊春景

        (黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 開封 475004)

        0 引言

        渡槽是跨越河流、道路、山?jīng)_、谷口等的架空輸水建筑物,是水利工程中的重要立體交叉工程。 大流量鋼筋混凝土梁式槽身多采用矩形斷面。 對這種斷面形式的渡槽,有通航要求時,槽身不設(shè)橫桿,對于無通航要求的槽身,為了改善橫向受力條件,常沿槽頂每隔1~2 m 設(shè)置一根橫桿。 對于橫桿的受力性能,目前還缺乏系統(tǒng)的分析研究。 在常規(guī)計算時,一般將拉桿均勻化,桿端按鉸接考慮,簡化為一次超靜定結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力計算[1]。 文獻[2]采用有限元法,詳細計算了不同高寬比(H/B)下無拉桿和不同拉桿間距簡支梁式矩形渡槽槽身的應(yīng)力,并根據(jù)計算應(yīng)力,以最大主應(yīng)力作為控制標準,分析了H/B 以及拉桿間距對槽身橫截面應(yīng)力的影響,提出了渡槽槽身應(yīng)力與拉桿間距之間的關(guān)系[2]。 本文試在已有成果基礎(chǔ)上,以南水北調(diào)中線工程中的雙洎河渡槽為研究對象,通過建立有限元模型,對不同高寬比和不同槽內(nèi)水深下的渡槽橫桿的軸力進行計算分析,從而研究高寬比和水深對渡槽橫桿受力的影響。

        1 計算條件

        1.1 渡槽的概況

        南水北調(diào)中線工程中的雙洎河渡槽位于河南省新鄭市境內(nèi),為梁式結(jié)構(gòu),槽身段長630 m,單跨長30 m。 槽體為矩形截面雙渡槽結(jié)構(gòu),總寬度為17.8 m。渡槽的設(shè)計流量為305 m3/s,加大流量為365m3/s。支撐結(jié)構(gòu)為空心薄壁重力墩,最大墩高15 m,墩壁厚1 m。 槽墩上部寬度為19.3 m,下部寬度為22 m?;A(chǔ)采用兩排共10 根直徑為1.8 m 的灌注摩擦樁。

        1.2 渡槽的材料參數(shù)

        渡槽槽體混凝土的強度等級為C50,密度為2 450 kg/m3,泊松比為0.1667。

        2 計算模型和工況

        2.1 計算模型

        選取一跨渡槽建立渡槽的力學(xué)模型。 考慮到對稱性,取其1/4 建立有限元模型,進行分析。 槽底側(cè)墻、中墻和底板、槽頂縱梁、槽底縱梁、側(cè)墻豎肋、槽底橫肋用實體單元進行模擬。 其有限元模型如圖1所示。

        圖1 1/4 渡槽有限元模型圖Fig.1 1/4 aqueduct FEM

        2.2 坐標系選取

        選取渡槽上游端中墻中線和底板中線的相交點為坐標原點,z 軸鉛直向上,y 軸為水流方向,x 軸為渡槽橫向,采用右手坐標系。

        2.3 支座及邊界條件

        根據(jù)工程實際情況,用彈性支座模擬盆式橡膠支座。 在仿真計算時,用3 個單向彈性構(gòu)件來模擬橡膠支座的力學(xué)行為。 在豎向,僅考慮支座彈性變形,在橫向和豎向均考慮支座的應(yīng)力剛化效應(yīng)。 其彈性模量為5GPa,屈服應(yīng)力為30MPa。 由于建立的是1/4 有限元模型,因此,渡槽中墻側(cè)面和跨中斷面采用對稱邊界條件。

        2.4 工況計算

        在渡槽結(jié)構(gòu)有限元分析中,橫桿的軸力有時是正值(拉力),有時是負值(壓力)。 為了找出橫桿(拉桿和撐桿)的受力規(guī)律,本次計算考慮了2 個因素:(1)不同高寬比的影響分析。 考慮了6 種不同的高寬比,即0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6。(2)不同水深的影響分析。 考慮了5 種不同的水深。

        3 計算結(jié)果分析

        3.1 計算結(jié)果

        經(jīng)過分析,得出渡槽在不同高寬比下橫桿的軸力(如表1 所示)。 高寬比H/B=1.0 時,不同水深下橫桿的軸力如表2 所示。

        表1 不同高寬比渡槽的橫桿軸向力Table 1 Axial force of aqueduct rail under different height-width ratios

        表2 不同水深下渡槽橫桿的軸向力Table 2 Axial force of aqueduct rail under different flux

        3.2 結(jié)果分析

        為直觀分析上述數(shù)據(jù), 將表格中數(shù)據(jù)繪制成曲線圖,如圖2 至圖5 所示。

        圖2 渡槽橫桿的軸力隨高寬比的變化曲線Fig.2 Variational curve of axial force of aqueduct rail along with different height-width ratios

        圖3 高寬比一定時,渡槽不同橫桿的軸力變化曲線Fig.3 Variational curve of different axial force of aqueduct rail along with fixed height-width ratios

        由圖2~圖5 可以看出,在渡槽槽身的高寬比較小時,除端部的橫桿(橫桿1 和橫桿2)是受拉(被稱為拉桿)外,其他橫桿受壓(被稱為撐桿)。 隨著高寬比的增大,渡槽橫桿的軸力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔?,并且高寬比越大,各橫桿的拉力也越大。 隨著水深的增加,渡槽橫桿的軸力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔?,并且水深越大?各橫桿的拉力也越大。 在渡槽槽身的高寬比H/B=1 的條件下,當水深較?。℉w=0,Hw=2.5m)時,只有端部的橫桿1 受拉,其余橫桿受壓。

        4 結(jié)語

        圖4 渡槽橫桿的軸力隨水深的變化曲線(H/B=1.0)Fig.4 Variational curve of axial force of aqueduct rail along with different flux (Unit: H/B=1.0)

        圖5 渡槽水深一定時,不同橫桿的軸力變化曲線Fig.5 Variational curve of different axial force of aqueduct rail along with fixed flux

        對渡槽橫桿受力分析的結(jié)果表明,在自重、水重作用下,渡槽上部橫桿的受力有一定規(guī)律:(1)在渡槽槽身的高寬比較小時,多數(shù)橫桿受壓。 隨著高寬比的增大,渡槽橫桿的軸力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔Γ⑶腋邔挶仍酱螅鳈M桿的拉力也越大。 (2)在渡槽槽身的高寬比H/B=1 的條件下,水深較小時,多數(shù)橫桿受壓。隨著水深的增加,渡槽橫桿的軸力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔?,并且水深越大,各橫桿的拉力也越大。

        [1] 趙文華,陳德亮. 渡槽[M].北 京:水利電力出版社,1989:11-12.

        [2] 李俊宏,何淑媛. 拉桿間距對渡槽槽身應(yīng)力的影響[J]. 水利水電科技進展,2005(1):34-36.

        [3] 白新理, 劉東常. 南水北調(diào)工程建設(shè)重大關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用,大渡渡槽施工期和運營期、動態(tài)跟蹤、溫度荷載及動力分析[R]. 鄭州:華北水利水電學(xué)院,2007:50-55.

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