南水北調涵洞式矩形渡槽運營期有限元仿真分析

姚 峰,趙明階,王麗芳

(1.重慶交通大學河海學院,重慶400074;2.華北水利水電學院土木與交通學院,河南鄭州450001)

近年來,隨著中國水利事業的快速發展,渡槽結構也向著大型化發展,并且成為我國南水北調工程中的重要立體交叉工程,這些大型渡槽聯系著主要的輸水渠道,是極為重要的生命線工程[1]。為了確保大型渡槽的安全,必須對渡槽進行不同荷載組合分析,為渡槽的設計和施工提供理論依據。本文在已有成果[1]的基礎上,利用有限元軟件ANSYS對南水北調工程中在運營期各種工況作用下的涵洞式渡槽進行仿真模擬,得出了不同荷載組合下槽體結構應力和位移的變化規律。

1 涵洞式渡槽結構幾何尺寸

在研究分析中,渡槽的單跨長取20 m,槽體形式為矩形截面雙線四槽組合式結構,渡槽結構與三個涵洞交叉為一體,渡槽居上,涵洞置于其下,如圖1所示的橫斷面圖中,兩槽在中間自上而下分開,形成獨立的兩部分。該梁式渡槽單槽過水面積為73.77 m2,設計水深為6.79 m,加大水深為7.60 m,其單跨跨度為20.0m,外形寬度為14.35 m,高度為8.6m;涵洞中墻厚度0.85 m,側墻厚度0.75 m。

圖1 渡槽橫斷面圖(單位:mm)

渡槽的設計流量為305 m3/s,單槽設計流量為76.25 m3/s,加大流量為365 m3/s,單槽加大流量為 91.25 m3/s。糙率系數為0.014,槽身底坡i=1/5500。渡槽普通鋼筋采用熱扎Ⅰ,Ⅱ級鋼筋,預應力筋采用 7Φ 5(ΦS15)鋼絞線,鋼絞線的強度標準值為 fptk=1 860 MPa,彈性模量為Es=180 GPa,根據規范[2]和工程經驗,鋼絞線的張拉控制應力允許值為0.7fptk=1 302MPa。渡槽按1級建筑物設計[3],結構設計安全級別為Ⅰ級,渡槽的縱斷面如圖2所示。

圖2 渡槽縱斷面圖

2 涵洞式渡槽結構計算模型

2.1 地基基礎

地基以實體模型建立,和樁之間采用節點共用的處理方法,以模擬樁土作用。

2.2 支座形式

支座形式對渡槽結構動力響應影響是比較大的,實際工程情況的支座有多種不同形式,鑒于本文研究重點,文中所建模型均采用的是彈性支座,如圖3所示,通過多組約束方程模擬。

圖3 彈性支座

2.3 有限元模型

根據規范,縱向計算時 γm=1.35,橫向計算時 γm=1.55。槽身、槽墩及地基的單元劃分如圖4所示,為了更好的模擬渡槽的實際受力情況,渡槽槽身沿水流方向取一跨,地基土體沿鉛直方向取地表以下30 m,上下游各取20 m,總長60 m,沿橫向取58.4 m,該地基承載標準值130 kPa。

圖4 槽身、槽墩及地基有限元模型

2.4 材料性質取值

混凝土材料與土體材料性質參見表1和表2。

表1 混凝土材料性質取值

表2 土體材料性質

2.5 單元技術

渡槽、涵洞及地基均采用8節點SOLID45等參單元來模擬,該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變的特性,特別適合于做空間結構的靜動力分析。支座采用兩節點COMBIN40及COMBIN14單元模擬。縱向與環向預應力鋼筋采用LINK8單元模擬。

2.6 荷載及其組合

根據水工建筑物荷載規范[4],槽身運營期經常起作用的及不定期重復出現的荷載有自重(2 450 kN/m3)、槽內水重及水壓力(γw=10 kN/m3)、人群荷載(2.5 kN/m2)、涵洞內水重及水壓力、涵洞揚壓力(28.5 kN/m2)、風壓力(基本風壓 W0=450 Pa)、檢修荷載、涵洞內1 m填土壓力及溫度荷載(冬季:槽外1℃,槽內9℃,土體上層6℃,土體下層溫度3℃;夏季:槽外32℃,槽內 24℃,土體上層 25℃,土體下層溫度 15℃)。為更好模擬計算結果,使計算結果更加符合真實情況,擬采用10種荷載組合,詳見表3。

2.7 計算路徑

為了便于分析不同工況下大型渡槽的位移沿某一條線上各結點(即路徑)的變化情況,擬對渡槽結構采用4種路徑進行分析,4種路徑的具體劃分如圖5所示。圖5中給出了渡槽跨中環向結點組合(即路徑1)和縱向結點組合(即路徑2、3、4)的劃分方法。圖中標出的路徑號是指單跨渡槽所經歷的直線路徑,便于形象的表示出渡槽各結點間應力和位移的變化趨勢。

圖5 各條路徑的定義

3 計算結果分析

3.1 位移分析

表4為計算結果中各工況下的最大豎向位移,由計算結果可以看出,各種工況的最大豎向位移大都分布在4.482 cm和6.734 cm之間,出現位置為兩渡槽之間交界伸縮縫處。在各工況中,工況6的豎向位移最大,該工況組合為:自重+槽內滿槽水壓+人群+風載+涵洞無水冬季及1 m填土壓力的荷載。由于在大型渡槽中要傳送大量的水,則大型渡槽中傳送水體的重量與渡槽槽身結構的自重相當,甚至大于渡槽槽身結構的自重,巨大的水體重量在結構分析中起著很重要的作用,因此在結構分析和設計中,影響豎向位移的主要因素有:渡槽自重,傳送的水體產生的重力和涵洞的揚壓力;其它的因素均可以不予進行考慮。

表4 各種工況下豎向最大位移

圖6 渡槽結構縱向各路徑豎向位移對比圖

圖6展示各工況下路徑2、3、4沿渡槽結構縱向各點的豎向位移變化曲線。可以看出,越靠近兩渡槽之間交界處,豎向位移就越大,因而最大豎向位移出現在兩渡槽之間的交界處;工況1、2、9、10各路徑的豎向位移較小,大多集中在-4.5 cm～ -3.5 cm 之間;而工況 3、4、5、6、7、8 各路徑的豎向位移相對較大,大多集中在-6.4 cm～-5.2 cm之間。工況6為最不利組合效應,即渡槽槽身結構的自重,巨大的水體重量在結構靜力分析中起著非常重要的作用,因此在結構分析和設計中,必須考慮水壓力對結構的作用和影響。

3.2 應力分析

渡槽內壁各工況跨中斷面環向應力圖見表5,由各工況應力圖可知,最大環向應力多出現在渡槽兩端端部下邊緣處,這是由槽內水體壓迫所致。其中,工況2、5、6的環向應力相對較大,最大可達2.16MPa。

表5 渡槽結構各工況跨中斷面環向應力圖(單位:MPa)

由于在工況2、工況5和工況6中應力集中現象尤為明顯,且最大應力均出現在這幾個工況中,這三種工況的具體分析如下:

在工況2中,渡槽大部分槽身橫向應力在-1.25 MPa～1.03 MPa之間,并且橫向最大拉應力都出現在涵洞中墻下邊緣處,橫向最大壓應力都出現在涵洞側墻下邊緣處,橫向應力бx的最大值為3.31 MPa;渡槽大部分槽身豎向應力在-1.75 MPa～2.01 MPa之間,并且豎向最大拉應力都出現在兩渡槽間下邊緣處,豎向最大壓應力都出現在涵洞側墻下邊緣處,豎向應力 бy的最大值為2.42 MPa。

在工況5中,渡槽大部分槽身橫向應力在-1.69 MPa～1.33 MPa之間,并且橫向最大拉應力都出現在涵洞中墻下邊緣處,橫向最大壓應力都出現在涵洞側墻下邊緣處,橫向應力бx的最大值為4.34 MPa;渡槽大部分槽身豎向應力在-1.99 MPa～2.32 MPa之間,并且豎向最大拉應力都出現在兩渡槽間下邊緣處,豎向最大壓應力都出現在涵洞側墻下邊緣處,豎向應力 бy的最大值為2.51 MPa。

在工況6中,渡槽大部分槽身橫向應力在-1.51 MPa～1.42 MPa之間,并且橫向最大拉應力都出現在涵洞中墻下邊緣處,橫向最大壓應力都出現在涵洞側墻下邊緣處,橫向應力бx的最大值為4.36 MPa;渡槽大部分槽身豎向應力在-2.10 MPa～2.21 MPa之間,并且豎向最大拉應力都出現在兩渡槽間下邊緣處,豎向最大壓應力都出現在涵洞側墻下邊緣處,豎向應力 бy的最大值為2.31 MPa。

4 結 語

渡槽兩側墻體在水體壓力的作用下其變形較大,很可能在渡槽的表面產生裂縫,因此,建議在渡槽頂部設置橫向拉桿。

大型渡槽傳送水體的重量與渡槽槽身結構的自重相當,甚至大于渡槽槽身結構的自重,巨大的水體重量在結構分析中起著重要的作用,必須在設計和施工時予以重視。

溫度應力分析中,夏季溫差工況下渡槽內壁可能會出現裂縫,冬季溫差工況下渡槽外表面可能會出現裂縫,施工工況下溫度應力雖然不是太大,但有可能在渡槽的表面產生裂縫。

在各工況荷載作用下,渡槽結構均是安全可靠的,雖然局部應力集中現象較為明顯,不過不影響渡槽的正常使用。

[1] 白新理,謝偉,李玉河,等.南水北調工程建設重大關鍵技術研究及應用(JGZXJJ2006-10):大型渡槽施工和運營期動態跟蹤、溫度荷載及動力分析研究報告[R].華北水利水電學院,北京交通大學,南水北調工程建設監管中心,2007.

[2] 電力工業部西北勘察設計研究院.SL/T191-96.水工混凝土結構設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,1997:10-12.

[3] 竺慧珠,陳德亮,管楓年.渡槽[M].北京:中國水利水電出版社,2005:1-13.

[4] 電力工業部中南勘測設計研究院.DL 5077-1997.水工建筑物荷載設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,1998:8-34.