基于单荷载因素的涵洞式渡槽数值仿真分析

2020-02-06钮立功马文亮

河南城建学院学报 2020年6期

原瑞，钮立功，马文亮

(1.华北水利水电大学，河南郑州 450046；2.中国人民解放军32033部队，海南海口 570000)

南水北调中线工程的沙河涵洞式渡槽由上部渡槽和下部涵洞两部分组成，其中，上部渡槽为双槽分缝、单槽截面为矩形的结构，用于调水渠道输水，下部涵洞为箱型，不仅可以用于引导河水下泄，而且起到支撑上部渡槽结构的作用[1]。涵洞式渡槽为薄壁超静定结构，建于土基上，基础材料的变形模量较低，应力、变形情况在不同荷载作用下较为复杂，很难用一般的力学计算方法准确、直观地反映出在各种工况下的实际分布及变形规律。因此，论文通过采用有限元法建立三维有限元计算模型，对涵洞式渡槽进行位移及应力的计算和分析。

1 计算模型

1.1 模型参数

该涵洞净高7.7 m，下部为换填卵石，深2.5 m，弹性模型E1=35 MPa，再向下为3.2 m深的砾砂，弹性模型E2=20 MPa，最下部为原状卵石，弹性模型E3=40 MPa。涵洞式渡槽槽身采用的混凝土为C40，涵洞底垫层混凝土为C10，钢筋采用Ⅱ级热轧钢筋[2]。

1.2 有限元模型

采用有限元法分析沙河涵洞式渡槽的变形和应力，建立三维有限元模型[3]。渡槽、涵洞及地基采用8节点等参块单元[4]。有限元计算模型如图1所示，在地基四个侧面和底面施加法向位移约束[5]。考虑在荷载作用下混凝土徐变的影响，取混凝土应力松弛系数为0.3。

图1 涵洞式渡槽有限元模型

1.3 计算工况

在对涵洞式渡槽进行位移分析时，主要考虑了以下单荷载因素：自重、渡槽设计水压、渡槽满槽水压、人群荷载、设计扬压力、校核扬压力、涵洞设计水压、涵洞校核水压、风荷载、施工检修、温度荷载等[6]。

在对涵洞式渡槽进行应力和变形分析时，主要考虑了以下10种计算工况：工况1，渡槽设计水深+河道设计洪水+温升；工况2，渡槽满槽水深+河道设计洪水+温升；工况3，渡槽设计水深+河道无水+温升；工况4，渡槽设计水深+河道无水+温降；工况5，渡槽满槽水深+河道无水+温升；工况6，渡槽满槽水深+河道无水+温降；工况7，渡槽检修+河道无水+温升；工况8，渡槽检修+河道无水+温降；工况9，空槽+河道无水+温升；工况10，空槽+河道无水+温降。

2 计算结果分析

2.1 单荷载因素影响分析

通过对沙河涵洞式渡槽的数值仿真分析，得到在单荷载因素下结构的位移计算结果，见表1。

从表1可以看出：在20种单荷载因素中，渡槽自重和水压力对涵洞式渡槽结构的竖向沉降影响较大，而温度荷载几乎对渡槽的竖向沉降量没有影响。同时，渡槽自重和水压力对涵洞式渡槽结构的槽顶横向位移也有较大影响，在自重和水压作用下，渡槽槽顶有相向靠近的趋势。在温度荷载作用下，夏季温升会使渡槽槽顶呈反向离开趋势，冬季温降会使渡槽槽顶呈相向靠近趋势。

2.2 计算断面上的应力分析

计算分析了沙河涵洞式渡槽在各工况下的应力分布情况，渡槽和涵洞在工况1、工况4、工况9时，跨中断面内表面环向应力变化曲线分别如图2～图7所示。

图2 工况1下渡槽跨中断面内表面环向应力变化曲线(单位：MPa)

图3 工况4下渡槽跨中断面内表面环向应力变化曲线(单位：MPa)

图4 工况9下渡槽跨中断面内表面环向应力变化曲线(单位：MPa)

图5 工况1下涵洞跨中断面内表面环向应力变化曲线(单位：MPa)

图6 工况4下涵洞跨中断面内表面环向应力变化曲线(单位：MPa)

图7 工况9下涵洞跨中断面内表面环向应力变化曲线(单位：MPa)

从图2～图4可以看出：在涵洞式渡槽正常使用极限状态下，渡槽跨中截面的内表面环向应力主要以拉应力为主，环向拉应力的最大值一般出现在渡槽侧墙与底板的交界处；在工况9下，渡槽跨中截面的内表面环向应力主要是压应力，但压应力值较小，最大环向压应力出现在渡槽底板中部。从图5～图7可以看出：在各工况下涵洞跨中截面的内表面环向应力值较小，涵洞顶板上的最大环向应力出现在顶板中部附近，最大环向压应力出现在两个边洞侧墙中上部，在检修工况下涵洞的环向应力值较小。

2.3 涵洞式渡槽应力及位移云图

通过对沙河涵洞式渡槽进行有限元分析，得到了渡槽在各工况下的应力及位移分布云图。图8～图11为工况3下涵洞式渡槽应力及位移云图。

图8 工况3下涵洞式渡槽沿X轴应力云图(单位：Pa)

图9 工况3下涵洞式渡槽沿Y轴应力云图(单位：Pa)

图10 工况3下涵洞式渡槽沿Z轴应力云图(单位：Pa)

图11 工况3下涵洞式渡槽总位移云图(单位：m)

从图8～图11可以看出：涵洞式渡槽沿X轴方向的最大拉应力为4.25 MPa，出现在涵洞中墙与底板交界处的内表面上，结构大部分区域的应力在-1.37～1.51 MPa；涵洞式渡槽沿Y轴方向的最大拉应力为1.55 MPa，出现在涵洞侧墙与底板交界处的内表面上，结构大部分区域的应力在-1.21～1.09 MPa；涵洞式渡槽沿Z轴方向的最大拉应力为1.66 MPa，出现在渡槽侧墙与底板相交的贴角上边缘处，结构大部分区域的应力在-3.06～0.87 MPa；渡槽横向相对位移为3.33 cm，呈相互靠拢趋势，最大竖向沉降位移为6.27 cm。