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        滇中引水工程董家村渡槽結(jié)構(gòu)靜力分析

        2022-03-07 03:28:26劉黎明張家銳
        四川建材 2022年2期
        關(guān)鍵詞:有限元混凝土分析

        劉黎明,張家銳

        (1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450045;2.云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650021)

        0 前 言

        渡槽又稱高架渠,是由橋梁、隧道或溝渠構(gòu)成的架空水槽,是引水工程中常用的建筑物。渡槽結(jié)構(gòu)靜力分析建立不同形式模型的研究手段主要有兩種,為三維有限元法和解析法[1]。為分析董家村渡槽正常運(yùn)營過程的強(qiáng)度和剛度,本文采用三維有限元分析法,建立董家村渡槽模型,然后對正常運(yùn)行時(shí)渡槽槽體的主應(yīng)力、迎水面應(yīng)力和位移進(jìn)行分析,從而校核董家村渡槽的強(qiáng)度與剛度安全。

        近年來,在渡槽結(jié)構(gòu)靜力分析研究中,取得的成果如下所示:王森林等[2]采用有限單元法對洺河渡槽進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力分析,得到了槽身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布情況。潘旦光等[3]用解析法對半橢圓形薄殼渡槽進(jìn)行內(nèi)力分析,提出了一種無橫拉桿的渡槽結(jié)構(gòu)形式,然后進(jìn)行公式推導(dǎo),以計(jì)算薄殼渡槽的內(nèi)力。彭華等[4]采用三維有限元法分析了大型上承式桁架拱渡槽后,采用局部加大處理的方式更好地解決拱腳壓應(yīng)力大的問題。高小翠等[5]采用有限元法分析了大型預(yù)應(yīng)力混凝土箱式渡槽,得到合理布置渡槽預(yù)應(yīng)力錨索可以滿足渡槽的應(yīng)力變形的結(jié)論。牛賀道等[6]對U型薄殼渡槽進(jìn)行有限元分析,結(jié)果表明,該種渡槽的變形小且應(yīng)力分布均勻。李宗坤等[7]對渡槽結(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的有限元模型,然后進(jìn)行計(jì)算分析,并提出合理的結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整措施。曹廣德等[8]針對U形薄殼渡槽槽身的應(yīng)力變形問題,采用了三維非協(xié)調(diào)強(qiáng)化假定應(yīng)變等參單元求解的方法,對渡槽槽身某截面的約束內(nèi)力進(jìn)行了直接求解,并對計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行了探討。姚威等[9]運(yùn)用有限元法對某預(yù)應(yīng)力渡槽進(jìn)行的仿真分析,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案能滿足規(guī)范要求。蔣兵[10]通過對新疆某預(yù)應(yīng)力渡槽的分析,得出了有效提高槽身抗變形能力和力學(xué)性能的方法。胡淦等[11]使用ANSYS對大型通航渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,認(rèn)為渡槽槽身結(jié)構(gòu)在動(dòng)靜力作用下,槽身部分區(qū)域需要優(yōu)化,合理布置縱向抗拉鋼筋可解決跨拉應(yīng)力較大的問題。

        1 工程概況

        本文選取了董家村渡槽的典型跨度為研究對象。董家村渡槽設(shè)計(jì)流量120 m3/s,槽身全長238.943 m,槽身為簡支預(yù)應(yīng)力C50混凝土結(jié)構(gòu),三箱矩形斷面型式,共計(jì)8跨,其中槽身跨度30 m的共7跨,槽身跨度28.943 m的共一跨。斷面凈尺寸(3~5) m×4.2 m,底板厚0.5 m,邊墻及中墻厚0.6 m,拉桿尺寸為0.3 m×0.4 m,間距2.5 m,底肋斷面尺寸為0.5 m×0.9 m,間距2.5 m,邊、中墻頂翼緣兩側(cè)均設(shè)欄桿,保護(hù)檢修人員安全。渡槽共布置7個(gè)中墩、2個(gè)邊墩。槽墩采用C25鋼筋混凝土實(shí)心墩,高度為6.4~8.4 m,中墩最大截面尺寸19.44 m×4.34 m,墩帽平面尺寸19.8 m×4.7 m,高2 m。柱墩基礎(chǔ)采用C25鋼筋混凝土,基礎(chǔ)平面尺寸23.54 m×8.44 m,高2 m。

        2 分析條件與模型

        2.1 材料參數(shù)

        董家村渡槽材料設(shè)計(jì)參數(shù)等如表1所示。

        表1 董家村渡槽材料參數(shù)表

        2.2 有限元建模

        董家村渡槽是三維實(shí)體預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),本文采用三維等參單元模擬了槽身混凝土和槽墩,采用桿單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線,采用剛桿單元和板殼單元模擬支座。董家村渡槽有限元整體模型如圖1所示。

        圖1 董家村渡槽有限元模型圖

        其中,槽身混凝土共有78 329個(gè)單元,預(yù)應(yīng)力鋼絞線及預(yù)應(yīng)力鋼筋共有16 830個(gè)單元,槽墩混凝土共有19 326個(gè)單元,支座共有1 424個(gè)單元。共有單元121 329個(gè)單元,126 842個(gè)節(jié)點(diǎn),380 526個(gè)自由度。整體坐標(biāo)系以槽體縱斷面中心線與槽墩橫斷面中心線的交點(diǎn)為原點(diǎn),x為橫槽向,y為豎直方向,z為順槽向。

        2.3 工況組合

        根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)的要求,本文選取了正常運(yùn)營時(shí)的兩個(gè)基本靜力工況組合,如表2所示。其中:荷載組合1是夏天運(yùn)營工況,主要的荷載有自重、水荷載、風(fēng)荷載、人群荷載和溫升;荷載組合2是冬天運(yùn)營工況,主要的荷載有自重、水荷載、風(fēng)荷載、人群荷載和溫降。

        表2 董家村渡槽靜力工況組合

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        在上述計(jì)算條件和有限元模型下,分析了每個(gè)工況組合荷載作用下董家村渡槽槽體的主應(yīng)力及迎水面的環(huán)向應(yīng)力分布,并對槽體的位移情況進(jìn)行說明。正常運(yùn)行時(shí),在兩種工況荷載作用下,對槽體的應(yīng)力分析結(jié)果能反映它的強(qiáng)度安全情況,槽體位移數(shù)值的大小則反映了槽體的剛度安全情況。

        3.1 主應(yīng)力分析

        1)在工況1荷載作用下,槽體第一主應(yīng)力的最大值為17 MPa,發(fā)生在側(cè)肋豎向預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的錨墊板下面,屬于由預(yù)應(yīng)力筋引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象,第一主應(yīng)力的最小值為-11.3 MPa,與第一主應(yīng)力的最大值相伴產(chǎn)生;槽體大部分的第一主應(yīng)力在-10.00~1.0 MPa。槽體第三主應(yīng)力的最大值為0.54 MPa,發(fā)生在側(cè)肋與邊墻頂板交匯處螺紋鋼筋的錨墊板下面,屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象,第三主應(yīng)力的最小值為-9.34 MPa,與第三主應(yīng)的最大值相伴產(chǎn)生;槽體大部分的第三主應(yīng)力在-10~0 MPa。

        2)在工況2荷載作用下,槽體第一主應(yīng)力的最大值為18.1 MPa,發(fā)生在邊肋豎向預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的錨墊板下面,屬于由預(yù)應(yīng)力筋引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象,第一主應(yīng)力的最小值為-10.7 MPa,與第一主應(yīng)的最大值相伴產(chǎn)生;槽體大部分的第一主應(yīng)力在-23.1~1.00 MPa。槽體第三主應(yīng)力的最大值為2.46 MPa,發(fā)生在側(cè)肋與邊墻頂板交匯處螺紋鋼筋的錨墊板下面,屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象,第三主應(yīng)力的最小值為-28.5 MPa,與第三主應(yīng)的最大值相伴產(chǎn)生;槽體大部分的第三主應(yīng)力在-10.0~0.50 MPa。

        3.2 迎水面應(yīng)力分析

        1)在工況1荷載作用下,槽體跨中和1/4斷面迎水面處,都發(fā)現(xiàn)各槽環(huán)向大部分受壓,槽底板處部分受拉,其中1/4斷面處壓應(yīng)力最大,壓應(yīng)力最大值為-7.15 MPa,且受拉區(qū)最大拉應(yīng)力為0.99 MPa;槽體底板迎水面中線發(fā)現(xiàn)縱向受壓,壓應(yīng)力最大值為-2.25 MPa。迎水面所受應(yīng)力都在C50混凝土的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)值范圍內(nèi),迎水面不會(huì)開裂。

        2)在工況2荷載作用下,槽體跨中和1/4斷面迎水面都發(fā)現(xiàn)環(huán)向受壓,且1/4斷面處壓應(yīng)力最大,壓應(yīng)力最大值為-6.53 MPa;槽體底板迎水面中線發(fā)現(xiàn)縱向受壓,壓應(yīng)力最大值為-3 MPa。迎水面所受應(yīng)力都在C50混凝土的抗壓設(shè)計(jì)值范圍內(nèi),迎水面不會(huì)開裂。

        3.3 位移分析

        正常運(yùn)行時(shí),在兩種工況荷載作用下槽體的橫豎向位移如表3所示,可看出,在工況1荷載作用下豎向位移最大,為2.35 mm,其相對位移為1/12766,遠(yuǎn)小于《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)的1/500。

        表3 工況荷載作用下的位移

        4 結(jié) 語

        在各工況荷載作用下,除在預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨墊板下的應(yīng)力超過混凝土的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度,其余大部分地方的應(yīng)力在C50混凝土的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度之內(nèi),不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效。渡槽槽體橫向迎水面上的環(huán)向應(yīng)力和縱向底板上縱向應(yīng)力都小于混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,迎水面不會(huì)開裂,可保證槽體混凝土在水環(huán)境下的耐久性安全。

        渡槽在兩種工況作用下,豎向位移最大為2.35 mm,相對位移為1/12766,相對位移遠(yuǎn)小于《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)的1/500,所以,渡槽的剛度滿足要求。在應(yīng)力集中點(diǎn)處,混凝土材料會(huì)進(jìn)入塑性階段,應(yīng)力會(huì)隨塑性的發(fā)展而重新分布,且預(yù)應(yīng)力錨墊板下面都有加強(qiáng)鋼筋,實(shí)踐表明,不會(huì)發(fā)生裂縫。

        在正常運(yùn)行情況下,渡槽結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足要求,該分析結(jié)果可為董家村渡槽的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

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