斜拉式渡槽結構分析與計算

周潤　陳玲　張振東　葉永

摘 要：渡槽是架設于山谷、洼地、河流之上，用于通水、通行和通航的水工建筑物。設計制作斜拉式渡槽模型，進行了模型結構分析與應力計算。通過模型承水和承砂實驗，得出結構發生彈性變形和塑形變形的分界荷載及達到破壞條件的極限荷載，然后利用結構求解器對固定荷載作用下最有可能發生破壞的點進行驗算，均能滿足強度條件，驗證了模型設計的可行性。

關鍵詞：斜拉式渡槽 模型設計 實驗 應力分析

中圖分類號：TV672 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0078-02

1 模型設計

斷面的設計：結合相關水力學[1]知識和實驗的最大流量，通過計算最終設計出槽深mm，寬度mm，槽身長度mm的矩形斷面渡槽。

支撐形式的設計：考慮模型的美觀性，模型每一端的斜拉索為10根，整個模型共有40根，每個拉索之間的距離為38mm[1]。為了減小桿端彎矩，選擇了外伸梁的方式[2]，將主支撐桿離桿端的距離設計為228mm。得出模型的設計圖（圖1）。

2 模型實驗

2.1 承水實驗

模型制作完成后進行承水實驗，由于渡槽槽身是由白卡紙制作完成的[3]，為了防止水浸濕白卡紙而降低模型的承載能力，故在槽身上鋪設一層防水膜。實驗前，稱得模型和防水膜的總質量為511.2g。采用梯級加載的方式，并設置如圖1所示的A、B、C、D、E五個位移控制點，邊加載邊記錄位移數據[5]。

模型的兩端同時緩慢加水，每次加入2kg的水，直到加入水的質量為8kg之后才能測出位移，于是從10kg開始每次加入5kg的水，待水在模型中穩定后仔細測出模型位移控制點到基準面的距離。當加入水的總質量達到24kg時，此時渡槽已經被水裝滿不能夠再繼續加載。表1是渡槽主梁中點處隨所加水質量的增加的位移值。

承水實驗結束卸掉荷載之后，再次測量渡槽中心點處的位移，發現為0，恢復到之前的位置。猜想模型在承水實驗中發生的變形是彈性變形。

2.2 承砂實驗

為了進一步測試模型的承載能力，換用了密度更大的鐵砂來做承砂實驗。重復承水實驗的操作，進行承砂實驗。表2是渡槽在承砂實驗中主梁中點處的位移值。

當鐵砂質量達到52kg時，模型發生了較大的變形，故停止加載，并推測模型的極限荷載>52kg。承砂實驗結束卸除掉荷載之后可以明顯看到在斜拉式渡槽模型上有不能恢復的變形，說明模型在承受52kg荷載時發生了塑性變形，為了驗證這個結論，同樣利用MATLAB軟件畫出了實驗數據的散點圖，如圖2所示，并通過回歸分析，分別選定一次和二次線型擬合。通過對比發現二次曲線的相關系數更大，達到了0.985 3，說明選用二次曲線擬合的效果更好。

通過以上分析可以得出結論：模型在承受30kg以上的重量時發生了塑性變形，可以將30kg作為模型彈性變形與塑形變形的分界荷載。

3 模型計算

3.1 模型建立

在結構求解器中建立斜拉式渡槽的模型[4]，共建立38個節點，56個單元。主支撐下桿端為鉸接，上端自由；主梁的兩端為自由。在實驗中斜拉式渡槽模型承受的最大重量是52kg，轉化為結構力學求解器模型中的均布荷載為254.8N/m。經過計算，梁和桿的抗拉剛度為226 000N/m，抗彎剛度為1.83N/m，而拉索的抗拉剛度為1 302N/m，抗彎剛度。建立如圖3所示的結構求解器模型。

3.2 應力校核

（1）主梁應力校核。

（2）支撐桿應力校核。

（3）拉索應力校核。

3.3 位移計算

把三維斜拉式渡槽模型簡化為平面二維圖形，并通過結構求解器建立模型畫出整個結構在承受最大荷載時的位移圖，如圖4所示。

由變形可以得出主梁上的變形呈現“中間大兩邊小”的特征，并且主梁中心點的位移是向下的，而主梁兩端點變形是向上的。在結構求解器中求得5個位移控制點的位移[5]，并且與實驗中測得的位移控制點的變形值進行對比，具體見表3。正號表示位移向上，負號表示位移向下。

由于結構求解器是將空間三維問題簡化為平面二維問題來解決的，所以結構求解器與實驗結果對比是存在誤差的，但是在極限荷載之前的誤差是在允許范圍內的。

4 結語

斜拉式渡槽通過拉索的作用，可以有效地改善渡槽主縱梁的受力和變形條件，使得渡槽可以承受更大的荷載，并且渡槽具有美觀性，在實際中具有很大的可用性。在此次研究中，渡槽模型的實驗值和結構求解器中的求解值的誤差在允許范圍之內，說明模型的制作及相關計算是準確的。通過模型的理論計算和實際加載實驗，得出渡槽的極限荷載約為52kg，破壞點為主梁中點截面的下邊緣，此時最大的位移量10mm。模型在實驗的過程中先發生彈性變形，再發生塑性變形，并且彈性變形與塑性變形的分解荷載時30kg。

參考文獻

[1] 吳持恭.水力學[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

[2] 林繼鏞.水工建筑物[M].5版.北京：中國水利水電出版社，2008.

[3] 梅華，賈存坤，周曉霞.斜拉式渡槽設計[J].西北水利發電，2006（S1）：50-51.

[4] 王漢杰.玉柱斜拉式渡槽設計與施工[J].沈陽農業大學學報，1991（1）：64-69.

[5] 崔心貝.斜拉式渡槽應用中的若干問題[J].水利水電技術，1988（8）：49-53.