斜拉式渡槽结构分析与计算

周润　陈玲　张振东　叶永

摘 要：渡槽是架设于山谷、洼地、河流之上，用于通水、通行和通航的水工建筑物。设计制作斜拉式渡槽模型，进行了模型结构分析与应力计算。通过模型承水和承砂实验，得出结构发生弹性变形和塑形变形的分界荷载及达到破坏条件的极限荷载，然后利用结构求解器对固定荷载作用下最有可能发生破坏的点进行验算，均能满足强度条件，验证了模型设计的可行性。

关键词：斜拉式渡槽 模型设计 实验 应力分析

中图分类号：TV672 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0078-02

1 模型设计

断面的设计：结合相关水力学[1]知识和实验的最大流量，通过计算最终设计出槽深mm，宽度mm，槽身长度mm的矩形断面渡槽。

支撑形式的设计：考虑模型的美观性，模型每一端的斜拉索为10根，整个模型共有40根，每个拉索之间的距离为38mm[1]。为了减小杆端弯矩，选择了外伸梁的方式[2]，将主支撑杆离杆端的距离设计为228mm。得出模型的设计图（图1）。

2 模型实验

2.1 承水实验

模型制作完成后进行承水实验，由于渡槽槽身是由白卡纸制作完成的[3]，为了防止水浸湿白卡纸而降低模型的承载能力，故在槽身上铺设一层防水膜。实验前，称得模型和防水膜的总质量为511.2g。采用梯级加载的方式，并设置如图1所示的A、B、C、D、E五个位移控制点，边加载边记录位移数据[5]。

模型的两端同时缓慢加水，每次加入2kg的水，直到加入水的质量为8kg之后才能测出位移，于是从10kg开始每次加入5kg的水，待水在模型中稳定后仔细测出模型位移控制点到基准面的距离。当加入水的总质量达到24kg时，此时渡槽已经被水装满不能够再继续加载。表1是渡槽主梁中点处随所加水质量的增加的位移值。

承水实验结束卸掉荷载之后，再次测量渡槽中心点处的位移，发现为0，恢复到之前的位置。猜想模型在承水实验中发生的变形是弹性变形。

2.2 承砂实验

为了进一步测试模型的承载能力，换用了密度更大的铁砂来做承砂实验。重复承水实验的操作，进行承砂实验。表2是渡槽在承砂实验中主梁中点处的位移值。

当铁砂质量达到52kg时，模型发生了较大的变形，故停止加载，并推测模型的极限荷载>52kg。承砂实验结束卸除掉荷载之后可以明显看到在斜拉式渡槽模型上有不能恢复的变形，说明模型在承受52kg荷载时发生了塑性变形，为了验证这个结论，同样利用MATLAB软件画出了实验数据的散点图，如图2所示，并通过回归分析，分别选定一次和二次线型拟合。通过对比发现二次曲线的相关系数更大，达到了0.985 3，说明选用二次曲线拟合的效果更好。

通过以上分析可以得出结论：模型在承受30kg以上的重量时发生了塑性变形，可以将30kg作为模型弹性变形与塑形变形的分界荷载。

3 模型计算

3.1 模型建立

在结构求解器中建立斜拉式渡槽的模型[4]，共建立38个节点，56个单元。主支撑下杆端为铰接，上端自由；主梁的两端为自由。在实验中斜拉式渡槽模型承受的最大重量是52kg，转化为结构力学求解器模型中的均布荷载为254.8N/m。经过计算，梁和杆的抗拉刚度为226 000N/m，抗弯刚度为1.83N/m，而拉索的抗拉刚度为1 302N/m，抗弯刚度。建立如图3所示的结构求解器模型。

3.2 应力校核

（1）主梁应力校核。

（2）支撑杆应力校核。

（3）拉索应力校核。

3.3 位移计算

把三维斜拉式渡槽模型简化为平面二维图形，并通过结构求解器建立模型画出整个结构在承受最大荷载时的位移图，如图4所示。

由变形可以得出主梁上的变形呈现“中间大两边小”的特征，并且主梁中心点的位移是向下的，而主梁两端点变形是向上的。在结构求解器中求得5个位移控制点的位移[5]，并且与实验中测得的位移控制点的变形值进行对比，具体见表3。正号表示位移向上，负号表示位移向下。

由于结构求解器是将空间三维问题简化为平面二维问题来解决的，所以结构求解器与实验结果对比是存在误差的，但是在极限荷载之前的误差是在允许范围内的。

4 结语

斜拉式渡槽通过拉索的作用，可以有效地改善渡槽主纵梁的受力和变形条件，使得渡槽可以承受更大的荷载，并且渡槽具有美观性，在实际中具有很大的可用性。在此次研究中，渡槽模型的实验值和结构求解器中的求解值的误差在允许范围之内，说明模型的制作及相关计算是准确的。通过模型的理论计算和实际加载实验，得出渡槽的极限荷载约为52kg，破坏点为主梁中点截面的下边缘，此时最大的位移量10mm。模型在实验的过程中先发生弹性变形，再发生塑性变形，并且弹性变形与塑性变形的分解荷载时30kg。

参考文献

[1] 吴持恭.水力学[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

[2] 林继镛.水工建筑物[M].5版.北京：中国水利水电出版社，2008.

[3] 梅华，贾存坤，周晓霞.斜拉式渡槽设计[J].西北水利发电，2006（S1）：50-51.

[4] 王汉杰.玉柱斜拉式渡槽设计与施工[J].沈阳农业大学学报，1991（1）：64-69.

[5] 崔心贝.斜拉式渡槽应用中的若干问题[J].水利水电技术，1988（8）：49-53.