南水北调涵洞式矩形渡槽运营期有限元仿真分析

2010-02-27赵明阶王丽芳

水利与建筑工程学报 2010年6期

姚峰,赵明阶,王丽芳

(1.重庆交通大学河海学院,重庆400074;2.华北水利水电学院土木与交通学院,河南郑州450001)

近年来,随着中国水利事业的快速发展,渡槽结构也向着大型化发展,并且成为我国南水北调工程中的重要立体交叉工程,这些大型渡槽联系着主要的输水渠道,是极为重要的生命线工程[1]。为了确保大型渡槽的安全,必须对渡槽进行不同荷载组合分析,为渡槽的设计和施工提供理论依据。本文在已有成果[1]的基础上,利用有限元软件ANSYS对南水北调工程中在运营期各种工况作用下的涵洞式渡槽进行仿真模拟,得出了不同荷载组合下槽体结构应力和位移的变化规律。

1 涵洞式渡槽结构几何尺寸

在研究分析中,渡槽的单跨长取20 m,槽体形式为矩形截面双线四槽组合式结构,渡槽结构与三个涵洞交叉为一体,渡槽居上,涵洞置于其下,如图1所示的横断面图中,两槽在中间自上而下分开,形成独立的两部分。该梁式渡槽单槽过水面积为73.77 m2,设计水深为6.79 m,加大水深为7.60 m,其单跨跨度为20.0m,外形宽度为14.35 m,高度为8.6m;涵洞中墙厚度0.85 m,侧墙厚度0.75 m。

图1 渡槽横断面图(单位:mm)

渡槽的设计流量为305 m3/s,单槽设计流量为76.25 m3/s,加大流量为365 m3/s,单槽加大流量为 91.25 m3/s。糙率系数为0.014,槽身底坡i=1/5500。渡槽普通钢筋采用热扎Ⅰ,Ⅱ级钢筋,预应力筋采用 7Φ 5(ΦS15)钢绞线,钢绞线的强度标准值为 fptk=1 860 MPa,弹性模量为Es=180 GPa,根据规范[2]和工程经验,钢绞线的张拉控制应力允许值为0.7fptk=1 302MPa。渡槽按1级建筑物设计[3],结构设计安全级别为Ⅰ级,渡槽的纵断面如图2所示。

图2 渡槽纵断面图

2 涵洞式渡槽结构计算模型

2.1 地基基础

地基以实体模型建立,和桩之间采用节点共用的处理方法,以模拟桩土作用。

2.2 支座形式

支座形式对渡槽结构动力响应影响是比较大的,实际工程情况的支座有多种不同形式,鉴于本文研究重点,文中所建模型均采用的是弹性支座,如图3所示,通过多组约束方程模拟。

图3 弹性支座

2.3 有限元模型

根据规范,纵向计算时 γm=1.35,横向计算时 γm=1.55。槽身、槽墩及地基的单元划分如图4所示,为了更好的模拟渡槽的实际受力情况,渡槽槽身沿水流方向取一跨,地基土体沿铅直方向取地表以下30 m,上下游各取20 m,总长60 m,沿横向取58.4 m,该地基承载标准值130 kPa。

图4 槽身、槽墩及地基有限元模型

2.4 材料性质取值

混凝土材料与土体材料性质参见表1和表2。

表1 混凝土材料性质取值

表2 土体材料性质

2.5 单元技术

渡槽、涵洞及地基均采用8节点SOLID45等参单元来模拟,该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特性,特别适合于做空间结构的静动力分析。支座采用两节点COMBIN40及COMBIN14单元模拟。纵向与环向预应力钢筋采用LINK8单元模拟。

2.6 荷载及其组合

根据水工建筑物荷载规范[4],槽身运营期经常起作用的及不定期重复出现的荷载有自重(2 450 kN/m3)、槽内水重及水压力(γw=10 kN/m3)、人群荷载(2.5 kN/m2)、涵洞内水重及水压力、涵洞扬压力(28.5 kN/m2)、风压力(基本风压 W0=450 Pa)、检修荷载、涵洞内1 m填土压力及温度荷载(冬季:槽外1℃,槽内9℃,土体上层6℃,土体下层温度3℃;夏季:槽外32℃,槽内 24℃,土体上层 25℃,土体下层温度 15℃)。为更好模拟计算结果,使计算结果更加符合真实情况,拟采用10种荷载组合,详见表3。

2.7 计算路径

为了便于分析不同工况下大型渡槽的位移沿某一条线上各结点(即路径)的变化情况,拟对渡槽结构采用4种路径进行分析,4种路径的具体划分如图5所示。图5中给出了渡槽跨中环向结点组合(即路径1)和纵向结点组合(即路径2、3、4)的划分方法。图中标出的路径号是指单跨渡槽所经历的直线路径,便于形象的表示出渡槽各结点间应力和位移的变化趋势。

图5 各条路径的定义

3 计算结果分析

3.1 位移分析

表4为计算结果中各工况下的最大竖向位移,由计算结果可以看出,各种工况的最大竖向位移大都分布在4.482 cm和6.734 cm之间,出现位置为两渡槽之间交界伸缩缝处。在各工况中,工况6的竖向位移最大,该工况组合为:自重+槽内满槽水压+人群+风载+涵洞无水冬季及1 m填土压力的荷载。由于在大型渡槽中要传送大量的水,则大型渡槽中传送水体的重量与渡槽槽身结构的自重相当,甚至大于渡槽槽身结构的自重,巨大的水体重量在结构分析中起着很重要的作用,因此在结构分析和设计中,影响竖向位移的主要因素有:渡槽自重,传送的水体产生的重力和涵洞的扬压力;其它的因素均可以不予进行考虑。

表4 各种工况下竖向最大位移

图6 渡槽结构纵向各路径竖向位移对比图

图6展示各工况下路径2、3、4沿渡槽结构纵向各点的竖向位移变化曲线。可以看出,越靠近两渡槽之间交界处,竖向位移就越大,因而最大竖向位移出现在两渡槽之间的交界处;工况1、2、9、10各路径的竖向位移较小,大多集中在-4.5 cm～ -3.5 cm 之间;而工况 3、4、5、6、7、8 各路径的竖向位移相对较大,大多集中在-6.4 cm～-5.2 cm之间。工况6为最不利组合效应,即渡槽槽身结构的自重,巨大的水体重量在结构静力分析中起着非常重要的作用,因此在结构分析和设计中,必须考虑水压力对结构的作用和影响。

3.2 应力分析

渡槽内壁各工况跨中断面环向应力图见表5,由各工况应力图可知,最大环向应力多出现在渡槽两端端部下边缘处,这是由槽内水体压迫所致。其中,工况2、5、6的环向应力相对较大,最大可达2.16MPa。

表5 渡槽结构各工况跨中断面环向应力图(单位:MPa)

由于在工况2、工况5和工况6中应力集中现象尤为明显,且最大应力均出现在这几个工况中,这三种工况的具体分析如下:

在工况2中,渡槽大部分槽身横向应力在-1.25 MPa～1.03 MPa之间,并且横向最大拉应力都出现在涵洞中墙下边缘处,横向最大压应力都出现在涵洞侧墙下边缘处,横向应力бx的最大值为3.31 MPa;渡槽大部分槽身竖向应力在-1.75 MPa～2.01 MPa之间,并且竖向最大拉应力都出现在两渡槽间下边缘处,竖向最大压应力都出现在涵洞侧墙下边缘处,竖向应力 бy的最大值为2.42 MPa。

在工况5中,渡槽大部分槽身横向应力在-1.69 MPa～1.33 MPa之间,并且横向最大拉应力都出现在涵洞中墙下边缘处,横向最大压应力都出现在涵洞侧墙下边缘处,横向应力бx的最大值为4.34 MPa;渡槽大部分槽身竖向应力在-1.99 MPa～2.32 MPa之间,并且竖向最大拉应力都出现在两渡槽间下边缘处,竖向最大压应力都出现在涵洞侧墙下边缘处,竖向应力 бy的最大值为2.51 MPa。

在工况6中,渡槽大部分槽身横向应力在-1.51 MPa～1.42 MPa之间,并且横向最大拉应力都出现在涵洞中墙下边缘处,横向最大压应力都出现在涵洞侧墙下边缘处,横向应力бx的最大值为4.36 MPa;渡槽大部分槽身竖向应力在-2.10 MPa～2.21 MPa之间,并且竖向最大拉应力都出现在两渡槽间下边缘处,竖向最大压应力都出现在涵洞侧墙下边缘处,竖向应力 бy的最大值为2.31 MPa。