河道中折線形及曲線形迷宮堰的結(jié)構(gòu)受力特點對比分析

孫葉芝

(河北省邢臺市任澤區(qū)水務(wù)局，河北 邢臺 100024)

1 工程概況

伴隨著城市水利景觀事業(yè)的發(fā)展，迷宮堰作為新型的低水頭擋水溢流結(jié)構(gòu)，因其具有構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)新穎、景觀效果好、無上部結(jié)構(gòu)等一系列的特點，在城市河道建設(shè)中的得到廣泛的應(yīng)用[1-5]。曲線形和折線形迷宮堰作為兩種最為典型的堰形，應(yīng)用最為廣泛。因此，針對兩種堰的結(jié)構(gòu)受力特點進行對比分析，以期為后續(xù)工程建設(shè)實施提供參考。

擬研究工程位于某城市河道中部位置，由于城市規(guī)劃建設(shè)的需要，在河道中部需要建設(shè)擋水迷宮堰，以期為城市提供水系景觀[6-8]。本工程中河道寬80 m，初擬采用鋼筋混凝土迷宮堰結(jié)構(gòu)，堰體直墻壁厚0.5 m，底板厚0.8 m，底板順水流方向?qū)? m，底板垂直水流方向每隔16 m設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，并設(shè)置止水設(shè)施底板坐落在基巖上，典型平面布置圖見圖1。為了研究從結(jié)構(gòu)受力特點方面進行迷宮堰選型，初擬采用曲線形和折線形兩種結(jié)構(gòu)擋水工況下的受力情況進行對比分析。

圖1 曲線形及折線形迷宮堰平面圖

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型及材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計方案，按照結(jié)構(gòu)垂直水流方向的分縫設(shè)置情況，迷宮堰順水流方向底板寬9 m，垂直水流方向每16 m設(shè)置一道分縫，工程所在部位地勢平坦，地層分布均勻。因此，本文為了計算方便，選擇兩個結(jié)構(gòu)縫之間長16 m的典型迷宮堰結(jié)構(gòu)開展研究。

采用有限元軟件建立該段曲線形及折線形迷宮堰的三維計算模型，見圖2。模型順水流模型長度為9 m，垂直水流向模型寬度為16 m，邊墻高3 m，該模型中迷宮堰的底板及邊墻等均采用3D實體四面體。結(jié)合工程實際，迷宮堰采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，重度25 kN/m3，彈性模量為3.0e7 kPa，泊松比0.167。

圖2 曲線形及折線形迷宮堰三維模型圖

2.2 邊界條件

為了計算準確，需要結(jié)合建筑物的實際受力情況，對模型設(shè)置約束及荷載。約束設(shè)置時，以豎直方向為Z軸，在模型的四周XZ、YZ對稱面設(shè)置垂直于對稱面的滾軸約束，在模型底部XY對稱面設(shè)置Z向的固定約束。荷載設(shè)置時，按照結(jié)構(gòu)擋水工況考慮，結(jié)合實際受力情況，考慮結(jié)構(gòu)的自重荷載，并且分別在曲線形及折線形迷宮堰的上游側(cè)邊墻及底板表面均施加3.0 m的靜水壓力荷載，邊界條件設(shè)置見圖3。

圖3 有限元三維模型圖

3 計算結(jié)果對比分析

3.1 應(yīng)力對比分析

就迷宮堰的混凝土結(jié)構(gòu)而言，抗拉強度是評價結(jié)構(gòu)力學特性的主要參數(shù)。通過數(shù)值計算，可以得到曲線形及折線形迷宮堰擋水工況下的大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)云圖，見圖4。通過對比分析兩種迷宮堰的大主應(yīng)力分布情況可知，兩種迷宮堰大主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，最大值主要分布在直墻與底板接觸的左右側(cè)根部位置以及邊墻凸點頂部位置，直墻凹點及底板等部位應(yīng)力值相對較低基本呈現(xiàn)不受拉的狀態(tài)。其中，曲線形迷宮堰大主應(yīng)力最大值為293.6 kPa，應(yīng)力值大于100 kPa的范圍占比約18.3%；折線形迷宮堰大主應(yīng)力最大值為308.8 kPa，應(yīng)力值大于100 kPa的范圍占比約18.5%。由此可知，曲線形及折線形迷宮堰在擋水工況下的拉應(yīng)力均小于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度極值，曲線形堰的大主應(yīng)力極值比折線形堰偏低，100 kPa以上的應(yīng)力較高的范圍基本相當。見圖5。

圖4 曲線形及折線形迷宮堰大主應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖5 100 kPa以上大主應(yīng)力范圍圖(單位：kPa)

3.2 位移對比分析

通過數(shù)值計算，可以得到曲線形及折線形迷宮堰擋水工況下的總位移云圖見圖6。通過對比分析兩種迷宮堰的總位移分布情況可知，兩種迷宮堰位移分布規(guī)律基本一致，總位移最大值主要分布在直墻左右側(cè)頂部位置，直墻其他部位以及底板位移較小。其中，曲線形迷宮堰位移最大值為1.996e-4m，位移值大于1e-4m的范圍占比約10.7%；折線形迷宮堰位移最大值為1.840e-4m，位移值大于1e-4m的范圍占比約8.4%。由此可知，曲線形及折線形迷宮堰在擋水工況下的結(jié)構(gòu)總位移總體偏小，曲線形堰的總位移比折線形堰略微偏高，但總體位移均在毫米級。

圖6 曲線形及折線形迷宮堰總位移云圖(單位：m)

4 結(jié) 論

伴隨著城市水利景觀事業(yè)的發(fā)展，迷宮堰作為新型的低水頭擋水溢流結(jié)構(gòu)，因其具有構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)新穎、景觀效果好、無上部結(jié)構(gòu)等一系列的特點，在城市河道建設(shè)中的得到廣泛的應(yīng)用。本文以曲線形及折線形兩種迷宮堰為研究對象，借助有限元計算就兩種迷宮堰擋水情況下的結(jié)構(gòu)受力特點進行了計算分析。結(jié)果表明：①結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面，兩種堰的大主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，拉應(yīng)力均小于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度極值，最大值主要分布在直墻與底板接觸的左右側(cè)根部位置以及邊墻凸點頂部位置，曲線形堰的大主應(yīng)力極值比折線形堰偏低。②結(jié)構(gòu)位移方面，兩種堰位移分布規(guī)律基本一致，總體位移均在毫米級以內(nèi)，總位移最大值主要分布在直墻左右側(cè)頂部位置，曲線形堰的總位移比折線形堰略微偏高。