李偉鴻 李桂元 盛 東 胡春艷

（湖南省水利水電科學(xué)研究所 長(zhǎng)沙市 410007）

大型矩形渡槽結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

李偉鴻 李桂元 盛 東 胡春艷

（湖南省水利水電科學(xué)研究所 長(zhǎng)沙市 410007）

文章應(yīng)用大型有限元軟件ADINA對(duì)南水北調(diào)中線輸水工程之一的水北溝大型矩形雙槽渡槽進(jìn)行分析，建立了渡槽動(dòng)力響應(yīng)分析模型。其中涉及的方面有：預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理、支座的處理、槽身拉桿的處理、各單元網(wǎng)格的處理、地基的處理、水體的模擬方式等。

南水北調(diào) 矩形渡槽 有限元分析 地震響應(yīng)

引言

渡槽（aqueduct）是輸送渠道水流，并跨越河流、山?jīng)_、谷口、道路等的交叉建筑物，是水工建筑物當(dāng)中比較常用的立體式交叉建筑物之一。

由于渡槽結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，會(huì)受到水壓、自重等靜力荷載的作用，還有風(fēng)荷載、人群荷載、地震荷載等動(dòng)力荷載，正是由于渡槽結(jié)構(gòu)承受著這么多荷載，且在不同的荷載狀況下，所表現(xiàn)出來(lái)的使用性能是不一樣的，對(duì)于如何保證其安全運(yùn)行及使用壽命將變得非常重要[1]。我國(guó)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SDJ 10-78）中有關(guān)渡槽方面的抗震設(shè)計(jì)是這樣表述的：“渡槽等水工建筑物，由于缺少動(dòng)力特性資料及實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，還不能在本《規(guī)范》中概括，有待于進(jìn)一步積累資料，于今后修訂時(shí)逐步補(bǔ)充[2]?！毙骂C布的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（DJ 5073-2000）中也沒(méi)有提及相關(guān)的渡槽抗震設(shè)計(jì)方面，因此，導(dǎo)致我國(guó)的渡槽抗震設(shè)計(jì)沒(méi)有確切規(guī)則所遵循。加上渡槽本身“頭重腳輕”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即使采用很好的支承形式，因?yàn)橛兴w的影響，對(duì)渡槽的抗震是非常不利的。而矩形渡槽相比U型渡槽具有配筋方便、施工簡(jiǎn)單等方面的優(yōu)勢(shì)。因此，進(jìn)行大型矩形渡槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)等相關(guān)分析的研究具有非常重要的意義。

1 工程概況

水北溝渡槽為京石段應(yīng)急供水工程上的一座大型河渠交叉建筑物，位于河北省淶水縣水北村與官家墳村南側(cè)，東距涿縣縣城25 km，南距淶水縣城8 km。建筑物全長(zhǎng)211 m，工程設(shè)計(jì)流量60 m3/s，加大流量70 m3/s。主體工程建筑物級(jí)別為1級(jí)，建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核，按設(shè)計(jì)烈度7度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)I等工程。

2 模型說(shuō)明

2.1 地基基礎(chǔ)

樁與土之間采用節(jié)點(diǎn)共用的形式。建立地基模型時(shí)，把地基分成了82個(gè)體，這是圍繞8根樁來(lái)劃分的。只有這樣，劃分網(wǎng)格是才能用到規(guī)則式網(wǎng)格，這種網(wǎng)格可節(jié)省計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，劃分速度快且美觀，計(jì)算精度也容易得到保證。

2.2 渡槽相鄰跨的影響

在原本是鄰跨支座的部位以集中質(zhì)量的形式，將槽體和配筋質(zhì)量的一半分成不均勻的3份分別施加在墩帽上。

2.3 支 座

在運(yùn)用大型有限元仿真軟件ADINA進(jìn)行模擬時(shí)，支座用一組彈簧單元（Spring）來(lái)模擬。

2.4 材料參數(shù)

混凝土材料參數(shù)見(jiàn)表1。

地基土體采用單一均質(zhì)的彈性材料，其參數(shù)取值見(jiàn)表2。

鋼筋材料參數(shù)如表3所示。

表1 混凝土材料參數(shù)表

表2 土材料參數(shù)表

表3 鋼筋材料參數(shù)表

水體材料參數(shù)如表4所示。

表4 水體材料參數(shù)表

2.5 單元技術(shù)

本實(shí)例當(dāng)中結(jié)構(gòu)部分，墩帽、槽體、承臺(tái)、樁、地基及墊層等混凝土材料結(jié)構(gòu)均采用8節(jié)點(diǎn)的3-D SOLID等參單元來(lái)進(jìn)行模擬。此單元適合用于空間結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力計(jì)算，由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有X，Y和Z 3個(gè)平動(dòng)自由度。其具有大應(yīng)變、大變形、應(yīng)力強(qiáng)化、膨脹、蠕變、塑性等特性。

拉桿采用2節(jié)點(diǎn)的TRUSS單元模擬。

支座采用一組彈簧單元（SPRING）來(lái)模擬。

預(yù)應(yīng)力鋼筋采用ADINA當(dāng)中的REBAR單元來(lái)模擬，此單元在模型劃分網(wǎng)格時(shí)，不需要為其單獨(dú)劃分網(wǎng)格，ADINA在生成求解文件時(shí)自動(dòng)為其生成。

水體采用ADINA當(dāng)中的勢(shì)流體單元來(lái)模擬。

2.6 有限元模型

本有限元模型是根據(jù)實(shí)際工程尺寸上建立起來(lái)的，但存在一定的簡(jiǎn)化，如本有限元模型中忽略了渡槽側(cè)肋的影響。

本有限元模型尺寸是取自實(shí)際工程當(dāng)中渡槽的3號(hào)、4號(hào)槽墩的尺寸上，建立起來(lái)的不同水深工況的基于勢(shì)流理論的靜力模型。槽身沿水流方向取一跨。整體模型圖見(jiàn)圖1。兩槽無(wú)水工況下槽身有限元網(wǎng)格圖見(jiàn)圖2。

圖1 整體模型圖

圖2 無(wú)水工況下槽身有限元網(wǎng)格圖

3 地震參數(shù)的選取

渡槽處于III類場(chǎng)地地震基本烈度為7度，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按相應(yīng)于100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期超越概率為2%的基巖水平峰值加速度代表值確定，順槽向和橫向最大加速度峰值代表值取0.1 g，豎直方向取水平設(shè)計(jì)地震峰值加速度的2/3，為0.066 6 g。特征周期Tg= 0.3，時(shí)間步長(zhǎng)取0.01 s，地震波根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜生成的人工波如圖3。

圖3 順槽向地震波加速度曲線

4 計(jì)算結(jié)果

考慮三種工況：工況1，空槽水深；工況2，半槽水深。 工況3，滿槽水深。

表5列出了在順槽向和豎向擬合地震波激勵(lì)下， 不同水深工況下矩形渡槽在整個(gè)時(shí)間歷程上的豎向位移（Z向）DZ和豎向（Z向）應(yīng)力SZ，縱向（Y向）應(yīng)力SY的最值，以及最值出現(xiàn)的時(shí)間和位置。

表5 各工況下槽身結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)最值對(duì)比分析表

由于篇幅所限， 下面僅列出工況2下豎向位移最小值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)豎向位移云圖和工況3下縱向應(yīng)力最大值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)縱向應(yīng)力云圖（圖4、圖5）。

圖4 工況2下豎向位移最小值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)豎向位移云圖（單位：m）

圖5 工況3下縱向應(yīng)力最大值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)縱向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

5 分析與結(jié)論

槽身豎向位移在工況2下的豎向位移最大值（向上的位移）比工況1和工況3要大，但其最值出現(xiàn)點(diǎn)的位置是一樣， 均出現(xiàn)在槽身底板上部的中間位置。這是因?yàn)樵诠r2情況下，水體的自重不足以壓制地震波向上的加速度影響。與此相反的，在工況3情況下，由于水深的增加，導(dǎo)致水體自重的增加，對(duì)豎直向地震波的加速度起抑制作用， 在一定程度上提高了槽身整體的剛度， 因此會(huì)出現(xiàn)工況3下的豎向位移最大值會(huì)比工況2下的豎向位移最大值要小的情況。 槽身豎向位移的最小值均出現(xiàn)在槽身底板上部的中間位置，且隨著水深的增加而減小。

各工況下，槽身豎向應(yīng)力最值出現(xiàn)的位置一般都為中墻或邊墻的底部與槽身相互接觸的部位。 計(jì)算結(jié)果表明，在這些部位均容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這就要求在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，在考慮經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，在容易出現(xiàn)應(yīng)力集中位置，應(yīng)當(dāng)采用加大接觸面或增加配筋量的方法，防止發(fā)生應(yīng)力破壞。 在槽身端部，要注意豎向鋼筋布置位置，調(diào)整混凝土與鋼筋的接觸部位。

各工況下， 槽身縱向應(yīng)力最值多出現(xiàn)在邊墻或中墻的人行道上，或者是縱梁與橫梁相接觸的部位。這就要求在實(shí)際渡槽槽身設(shè)計(jì)當(dāng)中，在槽身縱梁與橫梁相接觸部位，應(yīng)采用加大接觸面的方式，不使用直角形式的接觸方式，并配備適當(dāng)?shù)慕佑|鋼筋，防止發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在邊墻和中墻的人行道上應(yīng)當(dāng)充分考慮其尺寸形式，本文采用的是直角接觸形式，實(shí)際工程中不是這樣的，人行道與中墻或邊墻相接觸位置有一定的傾斜，也根據(jù)其具體的尺寸形式，配備了鋼筋。具體設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮相應(yīng)的風(fēng)荷載狀況，風(fēng)荷載狀況對(duì)邊墻及其上的人行道影響很大。

[1]王博.大型渡槽結(jié)構(gòu)抗震分析方法及其應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

[2]水利電力部.SDJ 10-78.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 1978.

[3]曹廣德，李同春，夏頌佑.基于非協(xié)調(diào)強(qiáng)化假定應(yīng)變單元的U形薄殼渡槽槽身受力分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2005,(10).

[4]華北水利水電學(xué)院.大型渡槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、溫度荷載及動(dòng)力分析研究[R].2008.

[5]電力部.SL 203-97.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1997.

[6]Shan J J.Construction ofGomtiAqueduct[J].Indian Consrete Joumal,June,1986.

[7]Golani B D.‘Rolling trusses’as falsework for aqueduct and bridges[J].Indian Concret Jouranl,January,1978.

2016-11-02）

李偉鴻（1989－），男，湖南株洲人，碩士，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)，E-mail：liweihong89@126.com。