大型矩形渡槽结构地震响应分析

李伟鸿 李桂元 盛 东 胡春艳

（湖南省水利水电科学研究所 长沙市 410007）

大型矩形渡槽结构地震响应分析

李伟鸿 李桂元 盛 东 胡春艳

（湖南省水利水电科学研究所 长沙市 410007）

文章应用大型有限元软件ADINA对南水北调中线输水工程之一的水北沟大型矩形双槽渡槽进行分析，建立了渡槽动力响应分析模型。其中涉及的方面有：预应力钢筋的处理、支座的处理、槽身拉杆的处理、各单元网格的处理、地基的处理、水体的模拟方式等。

南水北调 矩形渡槽 有限元分析 地震响应

引言

渡槽（aqueduct）是输送渠道水流，并跨越河流、山冲、谷口、道路等的交叉建筑物，是水工建筑物当中比较常用的立体式交叉建筑物之一。

由于渡槽结构在使用过程中，会受到水压、自重等静力荷载的作用，还有风荷载、人群荷载、地震荷载等动力荷载，正是由于渡槽结构承受着这么多荷载，且在不同的荷载状况下，所表现出来的使用性能是不一样的，对于如何保证其安全运行及使用寿命将变得非常重要[1]。我国《水工建筑物抗震设计规范》（SDJ 10-78）中有关渡槽方面的抗震设计是这样表述的：“渡槽等水工建筑物，由于缺少动力特性资料及实际运用经验，还不能在本《规范》中概括，有待于进一步积累资料，于今后修订时逐步补充[2]。”新颁布的《水工建筑物抗震设计规范》（DJ 5073-2000）中也没有提及相关的渡槽抗震设计方面，因此，导致我国的渡槽抗震设计没有确切规则所遵循。加上渡槽本身“头重脚轻”的结构特点，即使采用很好的支承形式，因为有水体的影响，对渡槽的抗震是非常不利的。而矩形渡槽相比U型渡槽具有配筋方便、施工简单等方面的优势。因此，进行大型矩形渡槽结构的动力反应等相关分析的研究具有非常重要的意义。

1 工程概况

水北沟渡槽为京石段应急供水工程上的一座大型河渠交叉建筑物，位于河北省涞水县水北村与官家坟村南侧，东距涿县县城25 km，南距涞水县城8 km。建筑物全长211 m，工程设计流量60 m3/s，加大流量70 m3/s。主体工程建筑物级别为1级，建筑物防洪标准按100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核，按设计烈度7度进行抗震设计I等工程。

2 模型说明

2.1 地基基础

桩与土之间采用节点共用的形式。建立地基模型时，把地基分成了82个体，这是围绕8根桩来划分的。只有这样，划分网格是才能用到规则式网格，这种网格可节省计算机存储，划分速度快且美观，计算精度也容易得到保证。

2.2 渡槽相邻跨的影响

在原本是邻跨支座的部位以集中质量的形式，将槽体和配筋质量的一半分成不均匀的3份分别施加在墩帽上。

2.3 支 座

在运用大型有限元仿真软件ADINA进行模拟时，支座用一组弹簧单元（Spring）来模拟。

2.4 材料参数

混凝土材料参数见表1。

地基土体采用单一均质的弹性材料，其参数取值见表2。

钢筋材料参数如表3所示。

表1 混凝土材料参数表

表2 土材料参数表

表3 钢筋材料参数表

水体材料参数如表4所示。

表4 水体材料参数表

2.5 单元技术

本实例当中结构部分，墩帽、槽体、承台、桩、地基及垫层等混凝土材料结构均采用8节点的3-D SOLID等参单元来进行模拟。此单元适合用于空间结构的静动力计算，由8个节点组成，每一个节点有X，Y和Z 3个平动自由度。其具有大应变、大变形、应力强化、膨胀、蠕变、塑性等特性。

拉杆采用2节点的TRUSS单元模拟。

支座采用一组弹簧单元（SPRING）来模拟。

预应力钢筋采用ADINA当中的REBAR单元来模拟，此单元在模型划分网格时，不需要为其单独划分网格，ADINA在生成求解文件时自动为其生成。

水体采用ADINA当中的势流体单元来模拟。

2.6 有限元模型

本有限元模型是根据实际工程尺寸上建立起来的，但存在一定的简化，如本有限元模型中忽略了渡槽侧肋的影响。

本有限元模型尺寸是取自实际工程当中渡槽的3号、4号槽墩的尺寸上，建立起来的不同水深工况的基于势流理论的静力模型。槽身沿水流方向取一跨。整体模型图见图1。两槽无水工况下槽身有限元网格图见图2。

图1 整体模型图

图2 无水工况下槽身有限元网格图

3 地震参数的选取

渡槽处于III类场地地震基本烈度为7度，设防标准按相应于100年设计基准期超越概率为2%的基岩水平峰值加速度代表值确定，顺槽向和横向最大加速度峰值代表值取0.1 g，竖直方向取水平设计地震峰值加速度的2/3，为0.066 6 g。特征周期Tg= 0.3，时间步长取0.01 s，地震波根据标准反应谱生成的人工波如图3。

图3 顺槽向地震波加速度曲线

4 计算结果

考虑三种工况：工况1，空槽水深；工况2，半槽水深。 工况3，满槽水深。

表5列出了在顺槽向和竖向拟合地震波激励下， 不同水深工况下矩形渡槽在整个时间历程上的竖向位移（Z向）DZ和竖向（Z向）应力SZ，纵向（Y向）应力SY的最值，以及最值出现的时间和位置。

表5 各工况下槽身结构动力响应最值对比分析表

由于篇幅所限， 下面仅列出工况2下竖向位移最小值出现时间点竖向位移云图和工况3下纵向应力最大值出现时间点纵向应力云图（图4、图5）。

图4 工况2下竖向位移最小值出现时间点竖向位移云图（单位：m）

图5 工况3下纵向应力最大值出现时间点纵向应力云图（单位：Pa）

5 分析与结论

槽身竖向位移在工况2下的竖向位移最大值（向上的位移）比工况1和工况3要大，但其最值出现点的位置是一样， 均出现在槽身底板上部的中间位置。这是因为在工况2情况下，水体的自重不足以压制地震波向上的加速度影响。与此相反的，在工况3情况下，由于水深的增加，导致水体自重的增加，对竖直向地震波的加速度起抑制作用， 在一定程度上提高了槽身整体的刚度， 因此会出现工况3下的竖向位移最大值会比工况2下的竖向位移最大值要小的情况。 槽身竖向位移的最小值均出现在槽身底板上部的中间位置，且随着水深的增加而减小。

各工况下，槽身竖向应力最值出现的位置一般都为中墙或边墙的底部与槽身相互接触的部位。 计算结果表明，在这些部位均容易出现应力集中现象，这就要求在实际设计当中，在考虑经济性的同时，在容易出现应力集中位置，应当采用加大接触面或增加配筋量的方法，防止发生应力破坏。 在槽身端部，要注意竖向钢筋布置位置，调整混凝土与钢筋的接触部位。

各工况下， 槽身纵向应力最值多出现在边墙或中墙的人行道上，或者是纵梁与横梁相接触的部位。这就要求在实际渡槽槽身设计当中，在槽身纵梁与横梁相接触部位，应采用加大接触面的方式，不使用直角形式的接触方式，并配备适当的接触钢筋，防止发生应力集中现象。在边墙和中墙的人行道上应当充分考虑其尺寸形式，本文采用的是直角接触形式，实际工程中不是这样的，人行道与中墙或边墙相接触位置有一定的倾斜，也根据其具体的尺寸形式，配备了钢筋。具体设计时，还要考虑相应的风荷载状况，风荷载状况对边墙及其上的人行道影响很大。

[1]王博.大型渡槽结构抗震分析方法及其应用[D].大连：大连理工大学，2005.

[2]水利电力部.SDJ 10-78.水工建筑物抗震设计规范[S]. 1978.

[3]曹广德，李同春，夏颂佑.基于非协调强化假定应变单元的U形薄壳渡槽槽身受力分析[J].中国农村水利水电,2005,(10).

[4]华北水利水电学院.大型渡槽结构优化设计、温度荷载及动力分析研究[R].2008.

[5]电力部.SL 203-97.水工建筑物抗震设计规范[S].1997.

[6]Shan J J.Construction ofGomtiAqueduct[J].Indian Consrete Joumal,June,1986.

[7]Golani B D.‘Rolling trusses’as falsework for aqueduct and bridges[J].Indian Concret Jouranl,January,1978.

2016-11-02）

李伟鸿（1989－），男，湖南株洲人，硕士，研究方向为水工结构，E-mail：liweihong89@126.com。