南水北調大型輸水箱涵三維有限元結構分析

姜樹立，張 亭，董延超

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林長春130021；2.南水北調中線干線工程建設管理局，北京100038）

1 概 況

南水北調中線一期工程天津干線保定市2段，位于河北省保定市境內，設計流量為50.0 m3/s，最大流量為60.0 m3/s。此段采用有壓箱涵輸水型式，具有距離長，流量大，孔徑大，地質條件復雜的特點。輸水線路采用整澆鋼筋混凝土三孔輸水箱涵,基礎坐落于壤土、粘土及淤泥質粘土土層中。箱涵基礎材料變形模量低，在不同的荷載作用下結構的應力、變形狀態復雜，采用一般結構力學計算方法，很難準確反映結構內部應力、變形的實際分布規律。因此,采用大型有限元軟件ANSYS，對其結構進行三維線彈性有限元計算分析。

2 有限元模型

計算采用ansys大型有限元結構分析軟件，地基模型采用彈性連續介質地基模型，箱涵主體采用實體建模，按線彈性理論進行分析。

1）箱涵計算單元

箱涵采用一聯3孔4.4 m×4.4 m現澆普通鋼筋混凝土結構型式，箱涵底板厚為0.65 m、頂板厚為0.55 m，邊墻度為0.55 m，中墻厚為0.45 m，加腋為0.4 m×0.4 m，混凝土墊層厚0.1 m。

為充分考慮地基土對箱涵受力性能影響，計算模型基礎以箱涵中心向兩側各取27.5 m，向下取15 m；按箱涵分段要求取15 m長為一計算單元。考慮地基土體先期固結已完成，且為無質量地基。

2）計算模型

箱涵主體采用solid65混凝土單元模擬，地基土體采用solid45單元模擬。

3）邊界條件

計算模型邊界條件假定，地基土體垂直水流方向施加法向約束，底面施加三向約束。

4）材料參數

混凝土及地基土的材料參數均由現場試驗所得,其結果見表1。

表1 材料物理力學參數

5）計算工況和荷載

輸水箱涵結構受自重、土壓力、內水壓力、水錘壓力、活荷載等主要荷載作用。結合工程的實際情況，綜合考慮，確定箱涵的計算工況及荷載組合，見表2。

表2 計算工況及荷載組合

3 箱涵應力分析

通過不同工況計算，可得箱涵第一主應力σ1、第三主應力σ3的分布情況，箱涵應力分布情況見圖1，2和表3。

從應力分布計算結果可見，箱涵第一主壓力最大值達到4.02 MPa，第三主壓力最大值達到4.78 MPa。箱涵無水時，箱涵結構的主拉應力比較小,當箱涵內過水時，主拉應力隨過水量的增加而增大。完建時，箱涵最大主應力位于邊墻上部；3孔滿孔運行（正常運行和事故工況），箱涵最大主拉應力位于底板加腋處內側，最大主壓力位于中墻底部加腋處；兩孔運行（中孔檢修）時，箱涵最大主拉應力位于隔墻中部內側，最大主壓力位于隔墻底部加腋處外側。箱涵應力分布情況符合箱涵結構受力的狀態，主拉應力大于抗拉強度設計值，需配置適量抗拉鋼筋來滿足結構設計要求。

表3 箱涵最大主應力匯總

4 箱涵結構配筋比較

根據不同工況進行配筋計算，并與結構力學法計算的結構配筋進行對照比較，見表4。

表4 配筋結果對照

由表4可見，三維有限元法與結構力學計算方法得到配筋量比較接近，采用有限元計算時,考慮了結構整體相互作用，計算的邊墻、隔墻及頂板處的配筋量，略小于結構力學方法的配筋量，但相差不大。另外，在加腋處因結構斷面型式改變，應力分布比較集中，需配加強鋼筋。

5 結語

1）南水北調中線一期天津干線大型輸水箱涵的三維有限元計算模型，考慮了箱涵結構整體受力情況，充分反映箱涵結構應力分布規律，得到加腋處局部應力狀況，為加腋處配筋提供依據。

2）通過結構力學法分析比較可知,三維有限元計算模型與地基反力為直線的結構力學計算模型的配筋基本吻合，有限元結構局部配筋量減小10%左右。箱涵斷面的結構型式和配筋滿足規范要求，箱涵結構內力計算，可采用地基反力為直線分布的結構力學計算模型計算。三維有限元模型計算，在設計結構形式、分析結構應力規律、合理配置筋量方面具有優越性，是比較合理的結構分析手段。

3）通過三維有限元計算分析，取得了比較滿意結果，采用應力圖形配筋可滿足工程設計要求，已在南水北調工程天津干線的箱涵設計中得到了應用。

4）對于大型輸水箱涵，實際工程應用中仍需多種計算方法、多種計算模型進行相互驗證，才能保證結構安全。

［1］SL191-2008，水工混凝土結構設計規范［S］.

［2］SL279-2002，水工隧洞設計規范［S］.

［3］黃福才，吳換營.ANSYS軟件在現澆鋼筋混凝土箱涵結構計算中的應用［J］.南水北調與水利科技，2009（6）.