沙河板梁式渡槽运营中应力分布及变形的仿真分析

姬栋宇

（湖南城建职业技术学院，湖南 湘潭 411101）

0 引言

大型渡槽工程及槽墩受力复杂、结构体型大，一旦发生破坏，造成的经济及社会影响巨大。因此在设计、施工及运营过程中应保证其具有足够的刚度、强度和稳定性。本文通过有限元软件，建立槽墩及槽身的三维模型，以沙河渡槽作为研究对象，分析在运营过程中不同工况下渡槽的应力分布及变形情况，为渡槽的设计和施工提供了非常重要的工程价值和指导意义。

1 工程概况

沙河渡槽是南水北调中线一期工程总干渠工程的组成部分，该工程的起点是从河南省鲁山县薛寨村以北，从沙河以南到黄河南段，终点为河南省鲁山坡流槽出口处50m的位置。该工程的设计流量为320m3∕s，最大流量为380m3∕s。起点的断面设计水位为132.37m，终点设计水位为130.489m。该渡槽总长11.963km，其中明渠长2.888km，建筑物长9.075km。

在南水北调中线一期的建设工程中，沙河渡槽是一条支流（全长7590m），属于淮河流域沙颍河水系一条主要的支流，流域的总面积为3713 km2。沙河渡槽共分四部分，分别依次为沙河板梁式渡槽、旱渡槽（第一段）、大郎河板梁式渡槽和旱渡槽（第二段）。在四部分渡槽中板梁式渡槽为双线四槽，为1500m，是预应力预制而成的渡槽，采用整体式吊装，槽墩间距30m，一次吊装重量1200t，是当前国内最大的梁式渡槽。施工过程中，为了正确选择最佳的施工方案，针对沙河板梁式渡槽结构体型大、受力复杂等诸多问题，采用有限单元法对沙河板梁式渡槽结构进行仿真分析。

2 渡槽结构计算模型

2.1 基本参数

沙河渡槽设计时流量约320m3∕s，单槽设计流量约80m3∕s，单槽加大流量后约为95m3∕s，其跨度为45m，其中糙率系数0.014，预应力筋采用Фj15 钢绞线，其中fptk=1860MPa，Es=180GPa。槽身采用C50混凝土，槽墩采用C25混凝土，所浇筑渡槽单槽净宽、净高、侧墙厚度、中墙厚度及底板厚度依次是7.0m、7.8m、0.6m，0.8m，0.4m。

2.2 模型范围

模拟过程中，沙河渡槽槽身、槽墩及沙河渡槽下部地基基础的模拟单元划分按图1所示进行模拟。该模型范围为槽身沿运营期水流方向取一跨渡槽作为研究对象，上下各取约30m，地基土的深度取从地表开始垂直向下取30m；沿横向取长约70 m；总长约105m左右。

图1 渡槽、槽墩及岩体单元划分图

2.3 单元选取

本文通过建立沙河板梁式渡槽三维立体模型分析在不同工况下其受力情况。在建模及受力分析过程中，槽身、槽墩及沙河渡槽下部地基基础应用三维等参体进行建模分析；渡槽槽身所使用的预应力钢筋及渡槽支座等杆件应用杆单元进行模拟分析；预应力端部的锚具及垫板应用壳单元进行模拟分析。

2.4 计算工况

结合实际情况，考虑到沙河渡槽结构在工作过程中周围荷载的施加情况，即自重荷载（用字母ZZ表示）、三项预应力（用字母SZ表示）、人行荷载（用字母RZ表示）、风荷载（用字母FZ 表示）、温降（用字母WJ 表示）、温升（用字母WS表示）、设计水深（用字母SS表示）、满槽水深（用字母MS表示）及地震荷载（用字母DZ表示）等情况，在工况模拟分析过程中考虑了8种组合荷载工况分别是：工况1 考虑：RZ+WS+ZZ+FZ+SZ；工况2 考虑：WJ+ZZ+RZ+SZ+FZ；工况3 考虑：SZ+SS+FZ+WS+ZZ+RZ；工况4考虑：SS+WJ+ZZ+SZ+FZ+RZ；工况5 考虑：MS+FZ+SZ+RZ+WS+ZZ；工况6考虑：RZ+WJ+ZZ+MS+FZ+SZ；工况7考虑：FZ+SS+DZ+RZ+WS+ZZ+SZ；工况8 考虑：DZ+SZ+RZ+SS+WJ+FZ+ZZ。

3 计算结果分析

3.1 计算路径

为了能有效分析沙河渡槽上各个关键点所处应力如何随工况的变化而变化，沿着运水方向在沙河渡槽内的左侧表面分别设置了有3种计算路径。其中路径1为底板和沙河渡槽左侧墙交界线；路径2为沙河渡槽底板的中线；路径3为沙河渡槽槽顶沿左侧面墙顶顶部。

3.2 应力分析

通过应力分析，分别考虑了工况1：RZ+WS+ZZ+FZ+SZ；工况3：SZ+SS+FZ+WS+ZZ+RZ；工况5：MS+FZ+SZ+RZ+WS+ZZ；工况7：FZ+SS+DZ+RZ+WS+ZZ+SZ 四种组合工况下的纵向应力和环向应力，计算点、分析点位于渡槽左侧1∕2跨的墙体内表面处，分析点①～③均布于左侧墙上，分析点④～⑥均布于底板上，分析点⑦～⑨均布于中墙上。其工况1下，①～⑨计算关键点中最大、最小纵向应力（MPa）分别分布于⑨、④关键点（-6.757、-1.883），环向应力最大、最小分布于③、④关键点（-4.863、-1.102）；其工况3 下，①～⑨计算关键点中最大、最小纵向应力（MPa）分别分布于⑨、④关键点（-8.101、-3.127），环向应力最大、最小分布于②、④关键点（-5.981、-0.850）；其工况5下，①～⑨计算关键点中最大、最小纵向应力（MPa）分别分布于⑨、④关键点（-7.947、-0.461），环向应力最大、最小分布于②、④关键点（-7.203、-1.063）；其工况7下，①～⑨计算关键点中最大、最小纵向应力（MPa）分别分布于⑨、⑥关键点（-8.165、-2.060），环向应力最大、最小分布于②、④关键点（-5.997、-1.011）。通过对沙河渡槽分析模型上①～⑨关键点的4种工况进行计算分析，得出其关键点的纵向应力、环向应力基本全为压应力，且渡槽输水工况和没有输水工况相比，其纵向应力、环向压应力明显较小。

通过分析8种不同的分析工况下路径1～路径3上的应力变化情况，结果是：8种分析工况下路径2分析过程中纵向压应力变化幅度较大，在工况1：RZ+WS+ZZ+FZ+SZ及工况2：WJ+ZZ+RZ+SZ+FZ下纵向压应力较大，在工况5：MS+FZ+SZ+RZ+WS+ZZ及工况6：RZ+WJ+ZZ+MS+FZ+SZ下纵向压应力较小；8种分析工况下路径2分析过程中横向应力变化曲线变化幅度较小且趋于平缓，同时路径2分析过程中渡槽端部横向应力变化幅度较大；8种分析工况下路径1分析过程中各工况下渡槽端部纵向压应力较为接近，其中路径1的纵向压应力变化幅度较小且趋于平缓；8种分析工况下路径3分析过程中纵向压应力变化曲线较为平滑，但是工况2：WJ+ZZ+RZ+SZ+FZ的纵向压应力较小。

3.3 变形分析

图2、图3给出了组合工况1到组合工况8情况下，路径2、路径3沙河渡槽竖向位移变化曲线。

图2 8种工况下路径2的竖向位移变化曲线

图3 8种工况下路径3的竖向位移变化曲线

从图2和图3可以看出，当渡槽在没有水流通过渡槽时，渡槽有明显的“向上”竖向位移，但是当渡槽进入运营期有水流通过渡槽后，渡槽出现与没有水流通过时相反的竖向位移，分析可见运营期水流通过渡槽对渡槽变形影响显著。

4 结束语

本文通过对沙河板梁式矩形渡槽进行有限元建模分析，共计考虑了渡槽运营期间的8种分析工况，分析了3种计算路径及其上的应力变化，给出了沙河渡槽结构在各组合施工工况下应力及变形的分布规律。同时分析了多种单向荷载下对渡槽变形的影响，结果表明采用预应力渡槽进行运营是可靠的，满足输水运营要求。同时还分析了渡槽在运营期8种不同分析工况下，渡槽内表面基本全为压应力。以上研究为预应力矩形渡槽运营期的设计和施工提供一定的参考依据。