新疆某渡槽结构安全性分析研究

2022-07-16陈学光

水利规划与设计 2022年7期

陈学光

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830001)

1 目的

某渡槽地处北疆地区，日夜温差和季节性温差较大，冬季寒冷且历时较长；另外，北疆地区寒潮频繁，夏季太阳辐射大，冬季气温低及干湿交替等气候条件复杂多变，给渡槽安全运行带来极大挑战[1]；如何确定渡槽运行期温度荷载并合理评价严寒地区渡槽运行安全性，是一个重要问题。然而现有规范[2]对于渡槽温度荷载计算未充分考虑渡槽运行特点，因此，本文从渡槽温度应力分布特点出发，研究渡槽温度荷载确定方法，在此基础上对新疆某大型梁式渡槽进行安全性分析评价研究。

2 研究方法

2.1 温度荷载确定

输水渡槽槽身结构温度变化一是施工期混凝土水化热引起的温度变化；二是运行期受周围介质温度变化而导致结构内部发生温度变化。根据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》温度作用设计原则，按照第11.1.2条规定：“温度作用应按下列情况分别考虑，…，拱和框架等非大体积钢筋混凝土结构可只考虑运行期的温度作用…”[3]。在长周期温度作用下，渡槽内温度变化比较均匀，结构将产生较大的整体变形，由于支承条件约束，在结构内形成温度应力，一般来讲，这种温度应力不是很大。对于短期温度变化而言，其变化速度很快，而且在结构各表面引起温度变化也不相同，渡槽产生整体位移往往不太大，却能在局部形成较大温度应力[4]。

从渡槽结构受力特点来看，其纵向和横向受力结构型式对温度应力相当敏感；纵向方面，可简化为简支梁结构，外荷载作用下可自由伸缩，产生的温度应力较小，考虑到超过20m以上梁式渡槽纵向基本都布置预应力钢筋，槽身横断面具有一定的预压余度，温度应力对结构影响较小甚至可以忽略；而横向方面，为典型的超静定结构，温度应力较大。综合以上分析，对于梁式渡槽运行期结构安全评估而言，应重点关注长周期温度荷载对渡槽横向受力方面的影响。

关于渡槽结构运行期温度荷载选取方面，采用当地最高和最低月平均气温减去结构浇筑、安装或合拢时的气温，即公式(1)。

(1)

式中，T1、T3—最高和最低月平均气温，℃；T2—结构浇筑、安装或合拢时的气温。

然而渡槽运行期温度应力决定于温度场边界条件，气温和水温变化影响最为显著。运行期渡槽温度荷载，应重点关注外界气温和水温的联合作用，如图1所示。综合以上分析结合南水北调中线工程沙河、午河及洺河等渡槽研究成果，长周期温度荷载边界条件按稳态考虑，温差取多年月平均最高或最低气温与水温差[6-7]，即：

(2)

式中，T1、T3—最高和最低月平均气温，℃；Tm—气温最高和最低时对应的水温；若冬季不通水，则温降荷载取0℃。

根据数据分析，冬季最大温降幅度取0℃，夏季最大温升幅度取11℃。如上2个温度差值将作为温降、温升荷载，用于渡槽安全评估。

2.2 动水压力确定

水体与槽体相互作用问题属于结构动力学中的流固耦合振动问题，当前考虑流固耦合作用槽体内水体简化的方法大体上分两种[8]：①线性方法，把水体当作附加质量作用于渡槽结构上，与槽体一起进行动力研究，如Housner水体简化模型、附加质量模型；②非线性方法，研究流体非线性晃动对槽体的影响，如边界元法和任意拉格朗日欧拉(ALE型)有限元法等。

采用Housner水体简化模型来考虑动水压力影响，即作用在矩形或U型渡槽的顺槽向各截面槽体内的动水压力可采用图2所示，将其分为冲击压力和对流压力两部分[9]。

图2 动水压力计算模型示意图

要实现上述动水压力，可借助质量单元和弹簧单元来实现；以Ansys软件为例，可选择Mass21质量单元和Combine40弹簧单元来模拟动水压力。

2.3 计算模型

计算模型仅考虑上部槽身结构，同时槽端考虑盆式支座的约束作用。根据设计提供资料建立渡槽有限元模型，其中，坐标原点取渡槽一端底板跨中底部位置，x向取渡槽横向，y向取渡槽纵向，z轴位于渡槽截面中心线上，方向取铅直方向，以向上为正。实体模型采用8节点等参单元，锚索采用三维锚索隐式单元，共形成实体单元236180个，锚索单元1464个，节点269606个；单个网格尺寸在槽身横向约0.05m，在纵向为0.125m(顶部拉杆位置)和0.3m(顶部无拉杆位置)；渡槽4个支撑部位的底部利用不同方向约束的可滑动接触单元模拟简支约束。渡槽静力计算与动力计算采用的模型均一致。如图3—4所示。

图3 渡槽有限元网格模型

图4 锚索有限元模型

2.4 应力控制标准

输水渡槽槽身混凝土设计标号为C50，根据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》规定，当环境条件为二类时，裂缝控制等级为二级。渡槽采用以下标准：

槽身正截面内外壁处法向应力：σck-σpc≤0.7ftk=1.85MPa；

槽身主拉应力：σtp≤0.85ftk=2.24MPa；

槽身主压应力：σcp≤0.6fck=19.44MPa

2.5 计算工况

鉴于该渡槽在冬季不运行的特点，荷载组合中的温度荷载仅考虑温升情况；渡槽完建时，槽内未通水，槽体内外壁温度基本等同于外界气温，温差荷载按零来考虑；另外，按照相关规范，地震工况下，水荷载按设计水位进行考虑。

2.6 静力安全评价

正常水位工况下，由于水荷载和温升荷载联合作用，使得渡槽内壁受拉，外壁受压。由渡槽应力分布云图可知(如图5—6所示)，内壁环向除底板中部区域外，其他区域受拉，拉应力基本在1.5MPa以内，其中，边墙底部(即距八字墙顶部0.7m区域内)、八字墙与边墙及底板连接处等部位的环向拉应力超过了1.85MPa，最大可达3.0MPa；内壁纵向跨中区域受拉，拉应力基本在0.3～0.8MPa之间，最大拉应力出现在跨中位置底板与八字墙连接处，可达1.1MPa；内壁第一主应力全部为拉应力，大部分区域拉应力在2.24MPa以内，边墙底部以及底板两侧部分区域的主拉应力超过2.24MPa，甚至达到3.0MPa。渡槽外壁环向及纵向绝大部分区域受压，除端部及支座附近区外存在应力集中外，环向压应力基本在3.0MPa以内，最大压应力不超过7MPa，纵向压应力基本在3.5MPa以内，最大压应力不超过7MPa；外壁第一主应力基本在0.5MPa以内。

图5 正常水位工况时内壁应力分布云图(单位：0.01MPa)

图6 正常水位工况时外壁应力分布云图(单位：0.01MPa)

由各典型横断面应力分布云图可知(如图7所示)可知，正常水位工况下温升荷载使底板呈上弯变形，边墙呈外弯变形，水荷载使底板呈下弯变形，边墙呈外弯变形，各荷载综合作用结果，使得渡槽内壁受拉，外壁受压；底板顶面两侧区域(即八字墙与底板连接处往槽轴线方向)存在横向拉应力超标区(即拉应力超过1.85MPa)，其深度最大达到0.6cm，宽度最大可达0.25m，长度方向基本贯穿整个槽身内壁；边墙内壁下部区域(即八字墙往上方向)存在竖向拉应力超标区，其深度最大可到1.0cm，高度最大可达0.7m，长度方向基本贯穿整个槽身内壁。

图7 正常工况各断面应力分布云图(左图为横向应力，右图为竖向应力；单位：0.01MPa)

综合槽身内外壁以及各典型横断面应力分析结果，内壁环向局部位置存在超标拉应力(即拉应力大于1.85MPa)，纵向不存在超标拉应力，这使得槽身局部区域难以满足“裂缝控制等级二级”的要求。槽身外壁环向及纵向基本为压应力，主拉应力均小于0.5MPa，主压应力均小于7.0MPa，因此，外壁满足“裂缝控制等级二级”的要求。

2.7 动力安全评价

由渡槽应力分布云图可知(如图8所示)，地震工况下边墙下部及八字墙附近区域环向受拉，拉应力基本在1.5MPa以内，其中，边墙底部(即距八字墙顶部0.35m区域内，深度约0.7cm)、八字墙与边墙及底板连接处等部位的环向拉应力超过了1.85MPa，最大可达3.0MPa；内壁纵向跨中位置八字墙与底板连接处存在很小的受拉区，拉应力基本在0.4MPa以内，其他区域受压；内壁第一主应力全部为拉应力，大部分区域拉应力在1.50MPa以内，边墙底部以及底板两侧部分区域的主拉应力超过2.24MPa，甚至达到3.0MPa。外壁环向边墙上部以及底板大部分区域受拉，拉应力基本在1.50MPa以内，其中，底板中部区域拉应力超过1.85MPa，最大可达2.10MPa；跨中及支座位置纵向存在一定范围受拉区，最大拉应力不超过0.5MPa，其他区域均受压；外壁第一主应力基本在2.20MPa以内。

图8 地震工况各断面应力分布云图(左图为横向应力，右图为竖向应力；单位：0.01MPa)

根据以上分析可知，地震工况下内壁环向局部位置存在超标拉应力(即拉应力大于1.85MPa)，纵向不存在超标拉应力，这使得槽身局部区域难以满足“裂缝控制等级二级”的要求。

3 结语

经计算分析，可得出以下结论：

(1)渡槽运行期温度应力决定于温度场边界条件，气温和水温变化影响最为显著，结合南水北调中线工程沙河、午河及洺河等渡槽研究成果，长周期温度荷载边界条件按稳态考虑，温差取多年月平均最高或最低气温与水温差。

(2)现有设计条件下，温升荷载使得内壁边墙底部、八字墙与边墙及底板连接处等部位存在环向拉应力超标区，而纵向不存在超标拉应力，这就导致槽身内壁局部区域难以满足“裂缝控制等级二级”的要求；渡槽外壁应力均小于允许应力，能够满足“裂缝控制等级二级”的要求。尽管渡槽局部出现拉应力，但拉应力均小于C50混凝土容许拉应力，说明槽身整体安全性是可以保证的。

(3)鉴于现有设计条件下，渡槽内壁可能会出现局部的应力超标区，建议对渡槽内壁采用喷涂聚脲弹性体技术进行防渗处理，以增加结构的耐久性。