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        洲子山預(yù)應(yīng)力渡槽結(jié)構(gòu)三維有限元分析

        2021-01-21 03:32:06
        水利技術(shù)監(jiān)督 2021年1期

        胡 宏

        (湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院,湖南 長沙 410000)

        1 槽身結(jié)構(gòu)及計算工況

        洲子山渡槽是涔天河灌區(qū)中一座比較有代表性的大流量、長距離渡槽。渡槽全長801m,最大離地高度33m,設(shè)計流量20m3/s,加大流量23m3/s。渡槽采用了預(yù)應(yīng)力槽身,單跨30m,凈寬4.2m,凈高3.6m,混凝土標號為C40。跨中斷面?zhèn)葔穸葹?.3m,底板為0.32m,兩端斷面加厚,側(cè)墻厚為0.5m,底板為0.5m。如圖1所示??v向預(yù)應(yīng)力體系為10束11φj15.2鋼絞線,采用后張法施工,如圖2所示。

        本文擬對洲子山渡槽預(yù)應(yīng)力槽身進行有限元靜力分析。按照相關(guān)規(guī)范要求,擬定四個工況進行計算,分別是:①空槽;②通過設(shè)計流量;③通過加大流量;④滿槽。各工況對應(yīng)的荷載組合見表1。

        2 有限元模型

        在Midas FEA軟件中進行計算。槽身混凝土采用三維實體單元。對于鋼筋(包括預(yù)應(yīng)力鋼絞線),在Midas FEA軟件中通過將鋼筋的剛度添加到母單元中的方法進行模擬,這樣的處理有以下幾點需要注意:①鋼筋和母單元之間是完全粘結(jié)沒有相互滑移的;②鋼筋沒有自由度;③鋼筋的應(yīng)變是利用母單元的位移計算得出的。

        最終劃分為14838個節(jié)點,47749個單元,如圖3所示。

        根據(jù)實際槽身支座的布置情況,對槽身施加如圖4所示的約束,圖中方向為自由活動方向。

        圖1 槽身結(jié)構(gòu)圖

        圖2 預(yù)應(yīng)力體系圖

        表1 荷載組合表

        圖3 網(wǎng)格劃分圖

        圖4 槽身約束圖

        3 計算結(jié)果分析

        3.1 位移分析

        預(yù)應(yīng)力體系使得結(jié)構(gòu)的整體剛度變大,相應(yīng)的位移值均較未施加預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)減少較多。本次計算得到的跨中斷面豎向位移值見表2。由表2數(shù)值計算可以得出:在空槽工況下,因預(yù)應(yīng)力反拱作用,跨中斷面豎向位移向上,位移值較小;在其它3種工況中,均為向下位移,位移值均較小。

        表2 跨中斷面豎向位移值

        3.2 應(yīng)力分析

        根據(jù)規(guī)范要求,槽身應(yīng)力需同時滿足正截面抗裂與斜截面抗裂要求。正截面抗裂要求截面混凝土法向應(yīng)力(槽身縱向應(yīng)力)需滿足下式:

        σck-σpc≤0

        (1)

        斜截面抗裂要求槽身主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力滿足如下要求:

        σtp-0.85ftk,σcp≤0.6fck,

        (2)

        典型的主要應(yīng)力云圖如圖5—8所示。

        圖5 空槽縱向應(yīng)力云圖

        圖6 加大流量縱向應(yīng)力云圖

        圖7 空槽主壓應(yīng)力云圖

        圖8 加大流量主壓應(yīng)力云圖

        3.2.1縱向應(yīng)力

        在空槽工況下,大部分槽身縱向應(yīng)力數(shù)值分布在-13.2~1.03MPa。渡槽結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分布在渡槽末端的上邊緣,最大壓應(yīng)力分布在渡槽末端的下邊緣,槽體的內(nèi)表面全部為壓應(yīng)力;在通過設(shè)計流量工況下,大部分槽身縱向應(yīng)力數(shù)值分布在-9.7~-0.25MPa。渡槽結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分布在渡槽末端的上邊緣,最大壓應(yīng)力分布在渡槽末端的下邊緣,槽體的內(nèi)表面全部為壓應(yīng)力;在通過加大流量工況下,大部分槽身縱向應(yīng)力數(shù)值分布在-8.4~-0.72MPa。渡槽結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分布在渡槽末端的上邊緣,最大壓應(yīng)力分布在渡槽末端的下邊緣,槽體的內(nèi)表面全部為壓應(yīng)力;在通過滿槽流量工況下,大部分槽身縱向應(yīng)力數(shù)值分布在-7.1~-1.51MPa。渡槽結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分布在渡槽末端的上邊緣,最大壓應(yīng)力分布在渡槽末端的下邊緣,槽體的內(nèi)表面全部為壓應(yīng)力。

        3.2.2主拉應(yīng)力

        在空槽工況下,大部分槽身主拉應(yīng)力均在0.09~0.15MPa之間。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處,內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大;在通過設(shè)計流量工況下,大部分槽身主拉應(yīng)力均在0.1~0.21MPa之間。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處,內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大;在通過加大流量工況下,大部分槽身主拉應(yīng)力均在0.15~0.24MPa之間。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處,內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大;在通過加大流量工況下,大部分槽身主拉應(yīng)力均在0.17~0.29MPa之間。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處,內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大。

        3.2.3主壓應(yīng)力

        在空槽工況下,大部分槽身主壓應(yīng)力均在-11.3~-1.2MPa之間。最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處,內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大;在通過設(shè)計流量工況下,大部分槽身主壓應(yīng)力均在-8.7~-0.5MPa之間。最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處,內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大;在通過加大流量工況下,大部分槽身主壓應(yīng)力均在-7.2~-1.2MPa之間。最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處,內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大;在通過加大流量工況下,大部分槽身主壓應(yīng)力均在-6.6~-1.5MPa之間。最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支座處,內(nèi)表面分布又以側(cè)墻、底板相接倒角處為最大。

        4 結(jié)論

        (1)槽身在預(yù)應(yīng)力作用下豎向位移顯著減小,但在空槽時會出現(xiàn)反拱。

        (2)預(yù)應(yīng)力槽身端部受力情況復(fù)雜,最大及最小縱向應(yīng)力均在此出現(xiàn),因槽身支座、錨固段也在此設(shè)置,可適當增加厚度。

        (3)槽身側(cè)墻與底板相接倒角處應(yīng)力復(fù)雜,可以適當多配置普通鋼筋防止開裂。

        (4)根據(jù)有限元受力分析計算結(jié)果,洲子山預(yù)應(yīng)力槽身具有較高的抗彎剛度,較小的整體位移和變形值,較低的應(yīng)力,安全冗余性較高。

        綜上所述,洲子山渡槽正常使用工況下變形及各項應(yīng)力控制指標均滿足規(guī)范要求,槽身是安全穩(wěn)定的。

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