水荷载作用下渡槽结构性态数值模拟分析

温斯钧，郭亚伟，朱莎莎，曹克磊

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223200)

0 引言

渡槽结构是水利工程建设中常见的一种输水建筑物，其在跨越山川、河流、峡谷等方面起着重要作用，对跨流域调水具有显著意义。渡槽在运行期间易受水流、温度、风等荷载作用，不同荷载作用下对渡槽结构的结构性态会产生不同程度的影响，极端情况下可能会对渡槽结构的运行安全产生影响。为了更好的了解运行过程中输水量对构性态的影响，本研究采用ANSYS大型有限元数值仿真软件，建立渡槽结构三维有限元模型，开展水荷载作用下渡槽结构的结构性态分析，研究结果可为渡槽结构的运行管理提供参考。

1 有限元仿真原理

有限元仿真原理是将结构进行离散化，对离散化后的单元赋予属性，并依据离散单元之间的关联性构建出平衡方程，求解出节点位移和应力。

2 工程概况及有限元建模

甘肃景泰川电力提灌二期工程中渡槽均为薄壁U型钢筋混凝土结构，单跨渡槽的槽身长为12 m，设计水位为2.66 m。渡槽槽体采用C40混凝土，C30混凝土用于排架，基础则采用C25混凝土。该工程所在区域的昼夜温差较大，最高气温为37℃，最低温度为-14℃。渡槽槽身断面如图1所示。

图1 渡槽槽身结构断面图

以景泰工程(甘肃景泰川电力提灌二期工程)渡槽为研究对象，采用ANSYS有限元软件建立渡槽三维有限元模型，如图2所示。其中考虑水荷载作用的渡槽模型则采用Solid45单元模拟，而考虑温度荷载作用的渡槽模型则采用Solid70单元模拟，可实现温度场到结构场的转变。为了更好的实现模拟计算中力的传递，避免应力集中现象，网格划分均采用规则的六面体单元。

图2 渡槽结构性态分析有限元模型图

3 水荷载作用下渡槽结构性态分析

开展无水、设计水位和满槽水位三种工况下渡槽结构的性态特征律研究，分析不同工况下渡槽结构的位移和应力变化规律，为渡槽结构的运行管理提供参考。无水工况、设计水位工况和满槽水位工况的数值模拟结果如图3～5所示。

图3 无水位移分布云图

图4 设计水位工况位移分布云图

图5 满槽工况位移分布云图

无水、设计水位、满槽水位工况下渡槽结构的位移变化规律如图3～5所示。不同工况下渡槽结构位移分布云图的规律相似，其中X向最大位移值出现在槽体端部拉杆处，Y向最大位移值体现在槽体侧壁中部区域，Z向最大位移值值集中显现在槽端临近支座处及槽体中部拉杆区域。不同工况下，随着水位的升高X向位移呈逐渐减小的趋势，反之，槽端处Y向和Z向的位移值则呈逐渐递增的趋势。由图3和图4可以看出，设计水位工况的位移值明显大于工况，说明水荷载作用会对结构性态产生影响，也间接说明水荷载施加的有效性。设计水位工况下X和Y向的位移值均较无水工况提高一个数量级，其中设计水位工况的竖向最大位移值为4.36 mm，比无水工况小1.92 mm；与设计水位工况相比，满槽水位工况的位移值均大于满槽水位，其中Z向位移增加最为显著，最大增幅为0.69 mm，其他两个方向均次之，X向的位移变幅最小。综上可知，水荷载对渡槽结构的位移影响较为显著，在实际工程运行管理中应重视大流量调水工况下的安全监测。

无水、设计水位、满槽水位工况下渡槽结构的应力变化规律如图6～8所示。不同工况下渡槽结构位移分布云图的规律相似，其中无水工况和设计水位工况下渡槽结构在槽端和槽体与支座接触区域出现局部微小的拉应力集中现象，无水工况的拉应力最大值为2.03 MPa，较设计水位工况拉应力增加约1 MPa，实际工程运行中可通过局部加固的方式来改善应力集中现象；相比于无水工况和设计水位工况，满槽工况下渡槽结构的拉应力最大值主要体现在拉杆区域，最大拉应力值达到了2.13 MPa，不利于工程的运行安全，应采取相应的加固措施，以保证渡槽结构在满槽水位工况下的正常运行。无水、设计水位、满槽水位工况下槽体结构的拉应力值分别为0.68 MPa、1.33 MPa、1.38 MPa，且压应力的分布规律基本一致。无水、设计水位、满槽水位工况下槽体结构的压应力值分别为2.56 MPa、5.7 MPa、6.27 MPa，说明水荷载对渡槽结构压应力的影响十分显著，且压应力值随水位升高而增加。

图6 无水工况应力分布云图

图7 设计水位工况应力分布云图

图8 满槽工况应力分布云图

4 总结

水荷载作用下会对渡槽结构的位移和应力产生显著影响，设计水位工况的竖向最大位移值为4.36 mm，比满槽水位工况的位移值小0.69 mm。满槽工况下渡槽结构的拉应力最大值主要体现在拉杆区域，最大拉应力值达到了2.13 MPa，不利于工程的运行安全，应采取相应的加固措施，以保证渡槽结构在满槽水位工况下的正常运行。无水、设计水位、满槽水位工况下槽体结构的压应力值分别为2.56 MPa、5.70 MPa、6.27 MPa，说明水荷载对渡槽结构压应力的影响十分显著，且压应力值随水位升高而增加。该研究结果可为渡槽结构的运行管理提供参考。