大型涵洞式渡槽运营期有限元仿真分析

2022-05-21姬栋宇

水科学与工程技术 2022年2期

姬栋宇

（湖南城建职业技术学院，湖南湘潭 411101）

大型涵洞式薄壳渡槽具有受力性能好［1-2］、施工方便、温度应力低［3-4］等优点，成为近年来渡槽理论和应用研究的热点问题。由于大型涵洞式薄壳属于典型的薄壁结构，在结构的设计和施工过程中，对其应力应变特性的研究有利于指导涵洞式薄壳渡槽设计和施工运营，笔者针对沙河涵洞式渡槽结构体型大、受力复杂等问题，采用有限单元法对沙河涵洞式渡槽结构进行了仿真分析。

1 工程概况

沙河渡槽是南水北调中线一期工程总干渠上的大型河渠交叉建筑物，项目位于河南鲁山县城东，沙河渡槽是一个组合建筑物，跨越河道及低洼地带采用梁式渡槽、跨越滩地采用涵洞式渡槽。沙河渡槽全长为7590m，渡槽由4部分组成，第一部分为沙河板梁式渡槽、第二部分为涵洞式渡槽（第一段）、第三部分为大郎河板梁式渡槽、第四部分为涵洞式渡槽（第二段）。第一段渡槽的典型断面为涵洞，有两个涵洞并排设置双渡槽输水。其净高5700mm，净宽5800mm，底板厚900mm，顶板厚850mm。涵洞式渡槽净宽11800mm，净高8000mm，底板厚850mm，侧墙从底部厚1100mm，过渡到顶部厚400mm。

2 计算模型

2.1 模型参数

槽身采用C40混凝土，E1=32.5GPa；涵底垫层混凝土为C15，弹性模量E2=17.5GPa；垫层下基础为4m深的壤土，弹性模量E3=11MPa；壤土下为2.5m天然砂，弹性模量E4=25MPa；最下部为天然卵石层，弹性模量E5=40MPa。

2.2 模型单元

沙河涵洞式渡槽结构模型采用8节点等参块体单元计算，参块体单元具有8个节点，每个节点具有3个平动自由度。沙河涵洞式渡槽结构的三维有限元计算模型如图1。该参块体单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力硬化、大变形、大应变等功能。

图1 渡槽结构有限元计算模型

2.3 温度荷载

在温度荷载分析过程中主要有如下步骤： ①通过实测得出构件表面温度分布情况，通过温度升降的工况分析得出相应的温度应力值； ②温度分析块体单元呈3个方向进行热传导，对8节点单元进行三维热分析，实现匀速热流的传递。

2.4 混凝土徐变和应力松弛

涵洞式渡槽在运营期，构件的变形随着荷载的增大，当构件应力未超过材料的弹性极限时，首先构件将会产生弹性变形，当构件应力超过材料的弹性极限后，构件发生塑性变形。同时由于荷载的持续作用，构件在应力不变状态下会发生徐变。

在计算温度应力过程中，一般会进行假定，即假定徐变的应力和应变成正比，可以得到时间t的总应变为：

在施工工况温度应力计算时，松弛系数Kp=0.3。

2.5 计算工况

考虑到渡槽结构在运行过程中的受力特点，主要考虑了以下10种计算工况［5］：其中水槽设计深度用S表示，涵洞设计水深用HD表示，满槽水深用M表示，渡槽自重用Z表示，河道设计水深扬压力用Y表示，风荷载用F表示，温升应力值用WS表示，温降应力值用WJ表示，人活动荷载用R表示，检修荷载用JX表示，涵洞设计深度用H表示，渡槽内水荷载用NH表示：

分析工况1考虑了：Z+S （槽内水深6.79m）+HD（洞内水深2m）+Y+F+WS+R；

分析工况2考虑了：Z+M（槽内水深8m）+HD+Y+F+WS+R；

分析工况3考虑了：Z+S+F+WS+R；

分析工况4考虑了：Z+S+F+WJ+R；

分析工况5考虑了：Z+M+F+WS+R；

分析工况6考虑了：Z+M+F+WJ+R；

分析工况7考虑了：Z+F+S（一槽设计水深，一槽无水）+WS+JX；

分析工况8考虑了：Z+F+S（一槽设计水深，一槽无水）+WJ+JX；

分析工况9考虑了：Z+WS；

分析工况10考虑了：Z+WJ。

3 渡槽结构分析

3.1 分析路径

对沙河涵洞式渡槽结构进行有限元分析时，定义如图2的分析路径，下面分别给出路径应力分布情况。

图2 渡槽结构分析路径示意图

3.2 应力分析

在如图2的分析路径上，各工况下渡槽和涵洞的纵向应力变化曲线如图3～图7。

从图3～图4可知，涵洞式渡槽底板在纵向呈现“连续梁” 的性质主要表现：从路径2的分析结果可见，在底板上侧跨中位置处受压，“支座”位置处受拉；从路径4的分析结果可见，在底板下侧侧跨中位置处受拉，“支座”位置处受压；通过分析可知，分析工况5下出现拉滓拉max＝1.227MPa，分析工况2下出现滓压max＝0.334MPa。可见涵洞式渡槽底板位置上表面跨中出现压区，上表面支座出现出现拉区，下表面跨中出现拉区，下表面支座出现压区，此分析结果可为设计参考。

图3 路径2上渡槽纵向（Y向）应力变化曲线（MPa）

图4 路径4上渡槽纵向（Y向）应力变化曲线（MPa）

图5 路径7上涵洞纵向（X向）应力变化曲线（MPa）

图6 路径10上涵洞纵向（X向）应力变化曲线（MPa）

图7 路径13上涵洞纵向（X向）应力变化曲线（MPa）

从图5～图7可知，受渡槽侧墙的影响，涵洞顶部的纵向在每个渡槽的中部受拉，端部受压，最大拉应力为1.206MPa（工况6），最大压应力为0.839MPa（工况2）。涵洞底部上表面沿纵向在所有工况下基本受压，但在涵洞的内端部形成拉应力集中区。在涵底部下表面沿纵向在所有工况下受较小的拉应力，但在涵洞的内端部形成压力应力集中区。

3.3 变形分析

考虑了S，Z，Y，F，WS，WJ，HD，NH等单荷载因素对涵洞式渡槽的沉降量、沉降量差及槽顶横向相对位移的影响情况。通过计算结果分析表明，Z和NH是影响沉降量的主要因素，WS不是运营期的结构沉降的影响因素。 Z和NH是影响涵洞式渡槽顶部横向相对位移的主要因素，且并排相邻的两个槽顶有趋于靠近的位移变化；在WS和WJ作用下，温升过程中渡槽两侧墙位移使其有趋于分开趋势，温降过程中两槽顶呈靠近有趋于靠近的位移变化。在分析工况6下，涵洞式渡槽槽顶横向相对位移达为S*max=3.445cm；在分析工况2下，沉降量Smax=-7.417cm，沉降量差为ΔSmax=1.003cm；经过计算分析得出工况2、工况5、工况6为应变最大的3种工况，其最具代表性工况2的应用云图如图8～图9。