鋼筋混凝土裝配式渠槽有限元仿真分析

姚文博，馬文亮

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

國家相關部門提出要大力發展裝配式建筑，裝配式渠槽的研究積極響應了國家的號召。并且國內迄今為止對裝配式渠槽的研究甚少，所以對此結構的研究具有重要的意義。渡槽在正常運行期間會受到水荷載的作用，不同工況下會對渠槽結構的形態產生不同程度的影響。不利荷載作用下，可能導致渠槽結構發生變形、破壞。裝配式渠槽的整體性和連續性普遍弱于現澆式，所以更容易出現變形問題。為了研究該裝配式渠槽結構是否能正常運行、設計方案是否合理，本文采用ABAQUS 有限元仿真軟件，建立渠槽的三維有限元模型，對渠槽進行仿真分析。

1 計算模型

1.1 工程概況

西霞院裝配式渠槽是小浪底的配套工程，位于黃河流域，其經過武陟縣、孟州市等多個市縣。槽身段長180.0 m，采用鋼筋混凝土矩形渠槽，設計流量為51.7 m3/s，底板厚度0.6 m，底板寬9 m，側墻高度5.3 m，側墻凈高4.7 m。側墻為預制構件，底板在現場澆筑。側墻配雙排鋼筋，底板配上下雙層鋼筋，側墻與底板均采用HRB400 鋼筋。

1.2 材料參數

底板與側墻均使用C25 的混凝土，彈性模量Ec=28 GPa，軸心抗壓強度設計值fc=11.9 MPa，軸心抗拉強度設計值ft=1.27 MPa，泊松比vc=0.2。

1.3 有限元模型

槽身混凝土采用八結點線性六面體單元模擬，單元類型為C3D8R。底板內鋼筋主要受壓，所以采用T3D2 單元。底板內鋼筋采用T3D2 的桁架單元模擬[2]。側墻鋼筋和插筋由于需要抗彎，所以采用線性梁單元B31。由于為裝配式渠槽，所以底板與側墻間設置為表面與表面接觸的形式。接觸面屬性要考慮切向行為與法向行為[3-4]，并定義為可滑移的形式。側墻與底板間接觸面如圖1 所示。

圖1 接觸面示意圖

2 裝配式渠槽仿真分析

2.1 應力與位移分析

以裝配式鋼筋混凝土矩形渠槽結構中的一小段為研究對象。分析其在無水、1/2 水位、設計水位下的應力及位移變化規律，結果為裝配式渠槽提供參考。各種工況下混凝土承受第一主應力的仿真模擬結果如圖2—4 所示。

圖2 無水工況土第一主應力

圖3 1/2 水位工況第一主應力

圖4 設計水位工況第一主應力

無水、1/2 水位、設計水位工況下，槽身承受的拉應力逐漸升高，最大拉應力值分別為0.010 6 MPa、0.315 MPa、1.04 MPa，最大拉應力值要小于抗拉強度設計值。設計水位下的最大拉應力值出現在側墻內側底部。隨著水位的不段升高，在側墻內側底部的拉應力集中現象越來越明顯，可考慮采用局部加固的形式來削弱應力集中現象。壓應力也隨著水位的升高逐漸增大，無水工況、1/2 水位工況、設計水位工況下的最大壓應力值分別為0.136 MPa、0.278 MPa、0.859 MPa。設計水位工況下的最大壓應力在側墻外側下部。綜上，水荷載對渠槽結構的應力影響較大，其中對拉應力的影響較壓應力更加顯著。

各種工況下的豎向位移與橫向位移仿真模擬結果如圖5—7 所示。

圖5 無水位移圖

圖6 1/2 水位位移圖

圖7 設計水位位移圖

無水、1/2 水位、設計水位工況下裝配式渠槽的位移變化規律由上圖可知。不同工況下，渠槽的橫向位移云圖的位移變化規律相似。隨著水位升高，渠槽的橫向位移逐漸增大，倆側墻處于逐漸分開的趨勢。無水工況下最大橫向位移為0.028 6 mm，1/2 水位工況下最大橫向位移為0.149 mm，設計水位工況下最大橫向位移為0.716 mm，位移增加較為顯著，設計水位工況下最大橫向位移比無水工況下的增大了近25 倍。1/2水位工況下的最大豎向位移為0.014 5 mm，與無水工況下的相近，僅增加了0.002 8 mm。而設計水位下的最大豎向位移比1/2 水位工況下的增大了0.031 mm。隨著水位的不斷升高，豎向最大位移從側墻內側變化到側墻外側。綜上可知，水荷載對渠槽的結構影響較大，在工程正常運行期間應加大對水位的安全監測力度。

為了分析裝配式渠槽的應力分布規律，定義了特定路徑[5]，如圖8 所示。

圖8 渠槽路徑示意圖

在該路徑上，各工況下裝配式渠槽的第一主應力變化曲線和位移變化曲線，如圖9 和圖10 所示。

圖9 第一主應力變化曲線

圖10 位移變化曲線

由圖9 可知側墻上部主要受壓。設計水位及1/2水位工況時，側墻下部出現了受拉區，而1/4 水位及無水工況下，側墻下部依然受壓。底板主要承受壓應力，底板兩側邊緣處受側墻影響，承受拉應力。通過分析可知，設計水位工況下出現最大拉應力σmax=0.645 MPa，無水工況下出現最大壓應力σmax=0.123 MPa。隨水位升高，側墻下部逐漸由受壓區轉變為受拉區。并在套筒附近出現了應力集中現象，可知套筒承受了較大的拉應力。由圖10 可知各工況下位移的變化規律相似，側墻發生變形，并且上側的變形最大。設計水位下出現最大位移。

2.2 滑移分析

因為是裝配式渠槽，所以必須要考慮側墻與底板間是否會出現滑移的現象。側墻底部的橫向位移云圖如圖11—13 所示。

圖11 無水工況下位移圖

圖12 1/2 水位工況下位移圖

圖13 設計水位工況下位移圖

由于側墻與底板間是采用半灌漿套筒的濕連接方式連接的，所以在側墻與底板間接觸面的模擬時考慮到了會產生相對滑移的問題[6-7]。采用了面-面“硬”接觸的模擬方式，并根據規范施加相應的摩擦系數μ來模擬接觸面間的約束。無水工況、1/2 水位工況、設計工況下的最大滑移分別為0.000 193 mm、0.001 69 mm、0.003 02 mm。由此可見側墻與底板間的滑移可忽略，結構連續性與整體性符合要求[8]。

3 總結

設計水位工況下產生的變形是最大的，所以把此工況作為控制工況。水荷載對裝配式渠槽的應力和位移的影響較大，設計水位的橫向位移最大值為0.716 mm，而無水工況下的橫向位移最大值為0.028 6 mm。為減小側墻橫向位移可適當增加墻厚或沿墻身方向加橫肋。設計水位下的最大拉應力比無水工況下增大1.029 MPa。隨水位升高，壓應力值也顯著增加。所有工況下的應力均符合規范要求。隨水位升高在側墻內側底部出現了應力集中現象，可采用相應加固措施削減局部應力。裝配式渠槽側墻與底板間的滑移量很小，說明其結構具備整體性和連續性。該研究結果可為裝配式渠槽的結構分析和正常運行提供參考。