基于MIDAS对三屯河水库溢洪道拱基础结构稳定性及配筋复核分析

2022-06-22郝杰

吉林水利 2022年2期

郝杰

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 前言

目前桥梁工程中主要涉及的三种受力体系分别为梁体系、拱体系和索体系。其中梁构件体系主要用来抵抗弯矩，拱结构体系主要用来抵抗压力，索结构体系主要以受拉力为主，对于相对复杂的桥梁受力结构，可以采用梁、拱和索体系三者的相互组合，最为常见的如梁拱组合体系兼备梁抗弯和拱抗压的力学特性，梁拱在杆系的作用下传递上部荷载，使得梁体始终处于弹性范畴，改善了梁的受力情况，同时也增强了结构本身的刚度及稳定性，此种结构在实际工程中应用较为普遍[1]。

纵观国内外专家学者对梁拱组合结构的研究，拱桥型的结构体系首先由奥地利人兰格尔提出，紧接着在十九世纪中叶欧洲开始建造当时最新的梁拱组合大桥[2]。此后，桥梁的结构形式的研究如雨后春笋般的发展，法国学者Hoeckman等人为Pont de l′Europe三跨连续钢拱架桥进行了力学特性研究[3]、西班牙学者Manterola[4]等对Calindo River Bridge下承式系杆曲线拱肋桥进行了结构布置、受力特性的分析研究。我国梁拱组合桥的发展相对较慢，20世纪初期诞生了第一座梁拱组合桥，随着科学技术水平的不断提高，计算机发展和应用得到极大的改善，能够通过计算机对复杂的结构力学问题进行精确计算。朱亚飞[5]等以子空间迭代求解法为切入点研究下承式钢管混凝土拱桥自振特性，得出拱肋横向刚度和桥面横向刚度比竖向刚度小的结论。郝礼增[6]等为了研究主梁和拱梁的刚度及变形规律，建立了马庄特大桥连续梁拱组合桥的Midas/Civil有限元模型。杨坤[7]采用Midas/Civil有限元软件建立了安康汉江大桥的三维数值模型，根据设计参数的不同，得到主梁和拱肋的受力情况与拱的矢跨比有着密切联系。刘忠平等在杨坤研究的基础上，重点通过三维有限元模型研究矢跨比、拱轴线形状、拱梁刚度比对结构受力特性的影响。郑宇强则把梁拱组合桥研究的重点放在了拱肋形式上，研究不同的拱肋形式（X形和K形）对拱桥整体结构稳定性和受力特性的影响，得出X形的拱肋相较K形更加稳定、受力情况更优的结论。

根据国内外学者的研究，对梁拱组合桥的受力特性、设计参数及稳定性进行了一系列研究和工程实践，取得了丰硕的成果。但是对于不同造型梁拱组合桥没有太大的普适性，有必要根据不同的结构形式有针对性的进行结构分析。一般拱结构在桥梁工程中较为常见，但是在水利工程中的拱结构作为承载“输水流道”的桥较为少见。因此，本项目借鉴桥梁工程的设计理念，对此处的溢洪道泄槽底部跨冲沟的“梁拱结构”尽量不去拆除，这就迫切需要通过科学手段分析该拱结构的整体稳定性。

2 工程概况

三屯河水库建成于2000年左右，是一座承担灌溉任务的水库，水库总库容为3101万m3，根据规范确定，工程为Ⅲ等中型工程，建筑物为3级。针对2017年南京水利科学研究院对三屯河水库大坝安全鉴定中发现的主要问题及鉴定结论进行相应的加固处理，主要包括新建泄洪排沙洞、放水洞加固、大坝加固及溢洪道重建等。其中溢洪道采用开敞式进水口，由引渠段、控制段、泄槽段及出口消能段组成。经过设计单位方案比选和经济技术论证，如果溢洪道底部跨冲沟拱结构满足设计要求，则此次溢洪道改建方案仅对原有泄槽边墙和底板拆除重建，不对跨冲沟拱基础进行处理。

为了验证下部拱基础的结构稳定性和受力性能，传统结构力学方法较为复杂，且进行结构内力分析时，拱结构为空间结构体系，对设计人员结构理论要求较高，故采用有限元法计算，提出对溢洪道控制段末端泄槽底部横跨冲沟的拱结构进行三维有限元分析，本文主要运用MIDAS三维有限元软件对拱结构进行三维模拟分析，复核其结构稳定性，为设计提供了一定的理论依据。

3 三维模型建立

根据查阅原设计图纸及现场实际开挖揭露，溢洪道泄槽段跨下游冲沟采用钢筋混凝土拱结构形式。拱由主拱和副拱组成，主拱跨度15m，上、下游侧副拱由3个小拱组成，最上游侧小拱跨度1.8m，后面2个拱跨度1.6m，下游侧拱与上游侧对称布置。腹拱厚0.2m，主拱厚0.6m，采用C20混凝土，主拱和腹拱配筋分别为φ20@150和φ16@200。此次设计提出的溢洪道改建方案仅对原有泄槽拆除重建，新建泄槽采用C25混凝土。原设计图纸及现场揭露情况详见图1—图2。

图1 拱结构原设计施工图

图2 现场实际揭露拱结构图

根据设计图纸及现场实际情况，本次计算模型考虑拱结构、下部基岩、回填料及上部泄槽，计算采用弹性本构模型，三维模型见图3。具体计算参数见下表1：

图3 三维有限元模型示意图

表1 材料力学参数表

为了使建立的三维模型与原设计图纸尽量一致，在查阅图纸时发现，主拱与支墩基础混凝土并非整体浇筑，而是设立约10cm深的诱导缝，内部还配置有“X”型钢筋，详见图4。因此，建立模型时，考虑此处的约束为铰接，更能符合实际情况，如图5所示。

图4 主拱与支墩设计图

图5 主拱与支墩接触关系-铰接

4 计算结果

（1）应力云图成果

通过运用有限元软件Midas对泄槽下部拱结构进行有限元分析，考虑运行期泄槽下泄库水，水深4m，计算成果见下图6—图8。

图6 竖直Z方向的位移云图，单位：m

图8 主拱、腹拱主应力云图，单位：KPa

经过计算,拱结构运行期在自重及新建泄槽水重作用下，拱顶最大竖向位移0.75mm，主拱最大拉应力为0.41MPa，腹拱最大拉应力为0.97MPa，均为超过C20混凝土抗拉强度，结构自身稳定。

（2）配筋复核

根据《水工混凝土结构设计规范》（SL191）给出了按应力图形配筋的方法。钢筋截面面积As应符合下式要求：

图7 大主应力云图，单位：KPa

式中，K—承载力安全系数；fy—钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；T—钢筋承担的拉力设计值，可由T=ωb求得；ω—截面主拉应力投影在配筋方向上的总面积与拉应力值小于0.45ft所围成图形面积的差，且0.45ft所围成图形面积不宜超过总面积的0.3倍；ft—混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm2；b—截面宽度，mm。

根据三维有限元计算，主拱和腹拱中间截面基本处于全拉应力状态，符合《水工混凝土结构设计规范》中“受拉区高度大于结构截面高度的2/3时，应按弹性主拉应力在配筋方向投影图形的全面积计算受拉钢筋截面积。”的规定。根据图8大主应力云图可以看出，大拱中截面的拉应力为0.41MPa，两侧腹拱中截面最大拉应力为0.97MPa，按全截面受拉应进行应力配筋计算，计算结果如表2。