蔣志誠

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院珠海分院,廣東 珠海 519000）

0 引言

渡槽是引水發(fā)電、城鎮(zhèn)供水和灌溉等輸水過程中跨越山谷洼地等常見的交叉輸水建筑物[1],其中,矩形、U型等梁式渡槽是較為常見的一種渡槽,這種渡槽的受力簡單明確,施工較為方便,而且造價比較低,是工程設(shè)計首選的結(jié)構(gòu)類型[2-5]。

當(dāng)前,工程中對槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計主要采用承載能力極限狀態(tài)法[6-8]。該方法理論成熟,工程適應(yīng)性較好,但由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的非線性行為,其不能準(zhǔn)確地表現(xiàn)出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,計算結(jié)果難以準(zhǔn)確反映槽位移和應(yīng)力情況。因此,采用非線性有限元方法,對反映混凝土和鋼筋的非線性特性很有必要。有限元采用連續(xù)介質(zhì)理論,已廣泛應(yīng)用于水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中,設(shè)計精度更高,尤其是對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析更為全面。而ANSYS作為一個較為成熟的商業(yè)化有限元軟件,其強大的前后處理功能和各種類型的有限元單元、材料模型庫,為建立合理的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型帶來極大的方便[9]。應(yīng)用ANSYS對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計算,可以實現(xiàn)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析,并在工程上得到較為理想的計算結(jié)果[10],故本次采用軟件ANSYS展開渡槽三維結(jié)構(gòu)模擬和仿真計算。以某輸水工程渡槽工程背景,利用有限元軟件ANSYS建立三維模型,模擬渡槽在完建工況、半槽工況、滿槽工況下渡槽槽身的位移和應(yīng)力分布特征。

1 工程概況

某輸水工程渡槽主要建筑物級別為4級,次要建筑物和臨時建筑物級別為5 級,設(shè)計流量為11 m3/s,渡槽整體結(jié)構(gòu)包括上部槽身、雙肢排架支撐結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ),槽身采用普通鋼筋混凝土矩形深窄式橫斷面,設(shè)置底肋、側(cè)肋、拉桿形成一個箍狀結(jié)構(gòu),槽身兩端擱置于雙肢排架上方。渡槽采用C30鋼筋混凝土,單節(jié)槽身縱向跨度為15 m。

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型

選取單節(jié)渡槽作為研究對象,采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行計算。本次計算過程中選用考慮混凝土和鋼筋之間的粘結(jié)和滑移的分離式模型,采用solid65 單元模擬混凝土單元,link8模擬鋼筋單元[11]。考慮到渡槽和周圍土體的相互作用,地基順河向從渡槽外邊緣向兩側(cè)延伸15 m,橫河向從渡槽邊墻向兩側(cè)延伸5 m,垂直向從渡槽底部取40 m。邊界條件為：地基底面為全約束,X、Y方向為相應(yīng)方向的法向位移約束。整體坐標(biāo)系規(guī)定如下：x軸表示橫河向,y軸表示順河向,z軸表示垂直向。整個計算模型共離散84842個單元,100337個節(jié)點。

圖1 渡槽槽身有限元模型

圖2 渡槽-地基整體有限元模型

2.2 參數(shù)取值

根據(jù)實際地質(zhì)勘察報告和現(xiàn)行規(guī)范,渡槽槽身材料參數(shù)值見表1。

表1 渡槽槽身材料參數(shù)表

表2 地基土層物理參數(shù)表

2.3 計算工況及荷載組合

結(jié)合工程實際和相關(guān)規(guī)范,作用于渡槽荷載主要包含：結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、風(fēng)荷載、人群荷載等。各荷載取值如下：（1）重力加速度取9.81 m/s3。（2）靜水壓力以面荷載形式施加,半槽水深1.13 m,滿槽水深2.25 m。（3）風(fēng)載強度W=0.789 kPa。（4）人群荷載按均布荷載施加：q=4.8 kN/m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范,各計算工況及荷載組合見表3。

表3 槽身計算工況和荷載組合

3 計算結(jié)果及分析

3.1 位移分析

基于上述有限元模型,模擬分析渡槽槽身位移變形,各工況下槽身X、Y、Z位移值見表4。選取滿槽水深作為典型工況,繪制各方向位移云圖,見圖3。

表4 渡槽槽身各方向位移統(tǒng)計表

圖3 滿槽工況槽身位移云圖

由表4可知,各工況下最大位移均發(fā)生在滿槽工況。由圖3（a）可知,槽身X方向最大位移為0.189 mm,發(fā)生跨中邊墻；由圖3（b）可知,Y方向最大位移為0.354 mm,發(fā)生在邊跨頂板；由圖3（c）可知,Z方向最大位移為1.206 mm,發(fā)生在兩端邊跨底板位置；由圖3（d）可知,槽身位移對稱分布,且呈現(xiàn)從跨中向兩側(cè)逐漸減小的分布特性。

3.2 應(yīng)力分析

基于上述有限元模型,模擬分析渡槽槽身應(yīng)力分布特征,分別計算分析各工況下渡槽槽身X、Y、Z應(yīng)力,計算結(jié)果見表5。選取滿槽水深作為典型工況,繪制各方向應(yīng)力云圖,見圖4。

表5 渡槽槽身各方向應(yīng)力統(tǒng)計表

圖4 滿槽工況槽身應(yīng)力云圖

由圖4（a）可知,在滿槽水深工況下,槽身X方向最大壓應(yīng)力0.722 MPa,發(fā)生在底板頂面中部；最大拉應(yīng)力為1.51 MPa,發(fā)生在槽身跨中底肋。由圖4（b）可知,槽身Y方向壓應(yīng)力呈現(xiàn)自跨中向兩端逐漸減小,最大壓應(yīng)力為2.47 MPa,發(fā)生在槽身頂板跨中；最大拉應(yīng)力為1.85 MPa,發(fā)生在槽身底板跨中,呈現(xiàn)從跨中向兩端逐漸減小的分布特性。由圖4（c）可知,槽身Z方向最大壓應(yīng)力為4.03 MPa,發(fā)生在槽身與排架接觸區(qū)域；最大拉應(yīng)力為1.27 MPa,發(fā)生底板表面與邊墻接觸區(qū)域。

由圖4（d）和4（f）可知,槽身最大壓應(yīng)力為4.09 MPa,發(fā)生在邊跨與排架接觸區(qū)域,呈現(xiàn)從底板向頂跨逐漸減小的趨勢；最大拉應(yīng)力為1.86 MPa,發(fā)生在槽身底板跨中底面,呈現(xiàn)從跨中向兩端逐漸減小的分布特性。槽身應(yīng)力整體呈對稱分布。

由表5可知,各工況下槽身最大壓應(yīng)力為4.09 MPa,小于混凝土的抗壓強度允許值；最大拉應(yīng)力為1.86 MPa,大于混凝土的抗拉強度允許值,但遠(yuǎn)小于鋼筋的抗拉強度允許值,拉應(yīng)力主要由鋼筋承擔(dān)。

4 結(jié)論

（1）在各工況下,渡槽槽身位移變形和應(yīng)力變形分布具有很強的對稱性,分布規(guī)律符合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)矩形渡槽的受力特點。槽身總體位移較小,壓應(yīng)力和拉應(yīng)力小于規(guī)范允許值,結(jié)構(gòu)整體設(shè)計合理。

（2）在支座約束位置及截面突變角點處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中,建議通過增加配筋,增大截面的接觸面積,優(yōu)化支座形式等方法,控制或者減弱應(yīng)力集中的現(xiàn)象。