輸水工程中暗涵結(jié)構(gòu)有限元計算分析

高祥澤

（水發(fā)規(guī)劃設計有限公司,山東 濟南 250000）

1 工程概況

某輸水暗涵全長95 m，設計輸水流量Q=26.5 m3/s，設計底坡i=1/1000，斷面形式為寬×高為3.4 m×4.0 m的矩形斷面，為提高結(jié)構(gòu)強度，在四個角加設0.4 m的腋[1]，采用C25 鋼筋混凝土襯砌厚0.6 m。暗涵線路布置上穿過兩條隧洞之間的沖溝石膏箐，跨越區(qū)域性斷裂FVI-10 斷層帶，進出口地下水位較高。進口為沖積階地平臺，階地暗褐黃色沖積細砂層厚20.3 m，結(jié)構(gòu)極松散，下伏FVI-10 斷層角礫巖、斷層泥，中至密實；出口為一寬20 m左右的小山梁，山坡坡度43°，出口段山坡殘坡積碎石土厚3 m～5 m，下伏基巖為中至厚層狀紫紅色長石石英砂巖、粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，夾層厚5 cm～40 cm不等。由工程地質(zhì)條件可知，暗涵線路沿途地質(zhì)條件復雜，沖溝、斷層及地下水均可能影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時工程場地基本烈度為VII度，在設計中進行暗涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有限元分析是十分必要的。本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS[2]，進行輸水暗涵襯砌結(jié)構(gòu)應力、變形分析的研究，暗涵結(jié)構(gòu)橫見圖1。

圖1 輸水暗涵結(jié)構(gòu)橫斷面(尺寸單位：cm)

2 計算模型

2.1 有限元模型

暗涵結(jié)構(gòu)采用ABAQUS軟件進行幾何模型的構(gòu)建應考慮地基的影響，地基計算范圍選取[3～4]：以暗涵底板為基準，向基巖深處及兩側(cè)延伸5 倍箱涵寬度約20 m，模型頂部考慮至回填高度。有限元模型及網(wǎng)格劃見圖2，網(wǎng)格劃分采用六面體單元劃分，其中暗涵單元1600 個，總單元數(shù)7230 個，結(jié)點總數(shù)為8459 個，暗涵順水流向為X軸，垂直水流向為Y軸，豎直方向為Z軸。計算過程中，施加的邊界條件為順水流向約束X向位移、垂直水流向約束Y向位移、基巖底面為全約束。

圖2 暗涵結(jié)構(gòu)有限元計算模型

2.2 計算參數(shù)與設計工況

2.2.1 計算參數(shù)

1）材料參數(shù)

暗涵結(jié)構(gòu)為C25 鋼筋混凝結(jié)構(gòu)，其彈性模量為28.0 GPa，泊松比為0.167，容重為25.0 kN/m3。依據(jù)地質(zhì)資料，基巖綜合變形模量取為1.0 GPa，泊松比為0.37，容重為20.0 kN/m3。有限元分析材料參數(shù)見表1。

表1 有限元分析材料參數(shù)表

根據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》，進行動力計算時，混凝土的動態(tài)抗壓強度和動態(tài)彈性模量可較其靜態(tài)標準值提高30%，動態(tài)抗拉強度的標準取值為動態(tài)抗壓強度標準制值的10%[5]。

2）地震動參數(shù)

該輸水工程抗震設防類別為乙類，采用動力法計算地震作用效應，基巖水平向地震加速度取為0.3 g，豎向地震加速度取為水平加速度的2/3，即0.2 g，場地特征周期Tg為0.40 s，其設計反應譜最大值的代表值βmax取為2.25，阻尼比取5%。

2.2.2 荷載與設計工況

計算考慮結(jié)構(gòu)及地基自重、內(nèi)外水壓力和地震荷載[6～7]，其中設計水深3.17 m，地下水位高于底板約14 m，最大外水壓力水頭按13.9 m考慮。本次設計工況及對應荷載情況見表2。

表2 暗涵結(jié)構(gòu)計算工況表

3 計算成果及分析

將地震作用下的結(jié)果與靜力作用下的結(jié)果進行最不利組合，即靜力和動力同時作用并且都同時產(chǎn)生同一方向的作用，位移和應力值都采用此種方式進行分析，保證將結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的響應情況都能涵蓋在取值范圍內(nèi)[8]。

3.1 應力結(jié)果分析

由圖3、圖4應力分布圖可知，設計工況下暗涵結(jié)構(gòu)同時產(chǎn)生拉應力和壓應力，圍巖壓力作用，拉應力最大值為2.21 MPa，位于暗涵頂板內(nèi)側(cè)中間位置，在約1.2 m范圍內(nèi)遞減為1.0 MPa，壓應力最大值為-4.05 MPa，位于底板、邊墻、頂板三者交接位置，同時荷載的對稱分布使得結(jié)構(gòu)在應力分布上對稱，這是因為在邊墻底板以及頂板交接位置位置出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，壓應力增大。

圖3 設計工況下暗涵主應力分布圖

由圖4 可知，在地震工況下暗涵結(jié)構(gòu)的應力分布規(guī)律和設計工況下應力分布相似，但由于地震荷載的影響，結(jié)構(gòu)所受的拉應力及壓應力均大于設計工況下的應力值，由圖5 可以看出，結(jié)構(gòu)主拉應力最大值為6.33 MPa。

圖4 地震工況下暗涵主應力分布圖

圖5 給出了箱涵軸向及橫向應力分布等值線圖，由圖5可以看出箱涵橫向應力明顯較軸向應力要大，其主要是因為在結(jié)構(gòu)橫向上受回填土、自重及水壓力等荷載控制的影響。

圖5 設計工況下暗涵主應力等值線

3.2 位移結(jié)果分析

由于受地震荷載作用的影響，地震工況下暗涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向及豎向位移均大于設計工況下產(chǎn)生的位移，由圖6、圖7設計工況下暗涵位移分布圖及暗涵位移等值線圖可以看出，在設計工況下暗涵在豎向產(chǎn)生的位移較橫向位移大，設計工況下暗涵結(jié)構(gòu)最大豎向位移為4.25 cm，位于暗涵頂部，水平橫向位移為0.01 cm。地震工況下（篇幅所限，不再附圖），暗涵結(jié)構(gòu)最大豎向位移為5.58 cm，水平橫向位移為0.04 cm。同時還可以看出，豎向位移UZ在總位移中占了較大比重，橫向水平位移兩端基本對稱。兩種工況下位移極值比較見表3。

圖6 設計工況下暗涵位移分布圖

圖7 設計工況下暗涵位移等值線圖

表3 兩種工況下暗涵結(jié)構(gòu)位移極值比較表 (單位：cm）

4 結(jié)論及建議

本文通過設計工況及地震工況下暗涵的應力、變形有限元分析分析，得出主要結(jié)論：

（1）由兩種工況下暗涵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析可知，由于地震烈度高，故地震工況的應力與位移較設計工況下大，其總體應力、變形情況與設計情況相近。

（2）在襯砌頂部、底部及拐角處可能存在應力集中現(xiàn)象，建議四個角加設0.5 m的腋，并加厚結(jié)構(gòu)厚度至0.65 m；此外，兩種工況下襯砌的最大拉應力均超過了混凝土的抗拉設計強度，最大壓應力均未超過抗壓設計強度，因此需根據(jù)規(guī)范限裂要求進行配筋計算以滿足設計要求。

（3）由于暗涵結(jié)構(gòu)穿過FVI-10 活動斷層，為防止結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，暗涵每10 m設一道結(jié)構(gòu)縫，設651 型橡膠止水帶，縫內(nèi)填充瀝青麻絲。