南水北調中線沙河渡槽施工期三維有限元分析

盧軍燕 李 慧

（河南理工大學萬方科技學院，河南 鄭州450014）

南水北調中線沙河渡槽全長7 590m，它由4部分組成，分別是沙河板梁式渡槽、第一段旱渡槽、大郎河板梁式渡槽和第二段旱渡槽。其中，板梁式渡槽為雙線四槽，即并列雙墩或雙承臺，旱渡槽為箱基雙渡槽輸水［1］。沙河梁式渡槽長1 500m，跨大郎河梁式渡槽長300m，箱基旱渡槽長5 605m，魯山坡流槽長1 410m。下面將對南水北調中線工程的沙河渡槽在施工期進行有限元分析。

1 渡槽結構模型

1.1 基本計算參數

矩形渡槽槽身，設計水深6.38m。滿槽水深7.3m，每一段槽身長45m。每跨均勻布置15根橫截面為0.3×0.3m的拉桿，對應的底部布置底肋，底肋的高度距下底板1.0m。從距端部3m的斷面處開始線形加厚，漸變加厚長度為2m，到距端部1m的斷面處加厚至2倍壁厚，但加厚不能超過0.8m（端部支座或端肋沿水流向的長度為1m）。材料參數如表1。

1.2 模型的單元選取

沙河渡槽的槽身用三維等參塊體單元模擬［2］，預應力鋼筋、拉桿和支座都用桿單元模擬，錨具墊板用殼單元模擬。模型完成后，就可以對沙河渡槽施工期進行受力分析了。

1.3 預應力鋼筋模擬

用彈性桿單元來模擬渡槽縱向、橫向及豎向的預應力鋼絞線，預應力用初始應變法來施加，也就是說對彈性桿單元施加初始壓應變。這種彈性桿單元是桿軸方向的拉壓單元，屬于三維桿單元，每個結點具有3個自由度。不僅如此，該單元還具有塑性、蠕變、膨脹、應力硬化、大變形、大應變等功能[3]。在計算模型中，模擬預應力鋼絞線的桿單元與模擬槽身混凝土的塊單元共用結點，以保證單元結點位移協調。

表1 渡槽配筋及形式

1.4 計算工況及控制點

分析選取各工況L/2跨，L/4跨處控制點三向位移為分析對象，對相應控制點在不同工況下進行了比較分析。其中對工況又做了細分，如下：

工況1：自重

工況2：自重+0.1×縱向預應力

工況3：自重+1×縱向預應力+1×環向預應力

工況4：自重+1×縱向預應力+1×環向預應力+設計水深+風載

控制點選取如圖1所示：左側槽體

圖1 控制點位置

2 計算結果分析

各工況L/2跨，L/4跨處控制點A、B、C、D、E處的應力值的變化情況如表2所示。由表可知，1/2跨和1/4跨截面，各控制點應力變化趨勢相似。A、B、C、D各控制點應力變化平緩，隨著預應力的施加壓應力不斷增大，符合分析形勢；各控制點應力值在各個工況中均在安全范圍內，拉壓應力都較小，滿足規范要求；最大壓應力-17.979 MPa，小于C50混凝土抗壓強度。控制點E在工況4之前的幾種工況下變化平緩，隨著預應力的施加壓應力不斷增大，最大僅為-7.07MPa，遠小于混凝土抗壓能力。在工況4中由于水壓力作用，控制點E壓應力減小，但仍受壓應力作用，因此該渡槽還有一定的過水能力，可以加大水深，以更大發揮其作用。

表2 1/2跨各控制點應力值（MPa）

表3 1/4跨各控制點應力值（MPa）

3 結語

由此可見，沙河渡槽采用預應力矩形槽方案是合理的，符合工程要求。在渡槽施工期的各種工況下，渡槽內表面基本上都為壓應力，結構安全可靠［4］。但仍存在問題：①預應力鋼筋的模擬方法很多，應采取不同方法對比分析結果；②施工期安全并不意味著渡槽永久安全，實際運行過程中渡槽受力情況更加復雜，許多因素難以預測，因此渡槽只進行施工期計算不能滿足其需要，還應該對渡槽進行追蹤動態分析。

［1］陳德亮.水工建筑物［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

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

［3］張建華，楊志超.沙河預應力矩形渡槽施工運行過程受力分析［J］.華北水利水電學院學報，2008，29（3）：21-24.

［4］白新理，聶金榮，郭瑞卿，等.大型矩形渡槽全程動態跟蹤分析［J］.水利與建筑工程學報，2008，6（1）：42-44.