大跨度無鉸拱渡槽拱肋模擬研究范文

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《東北水利水電雜志》2016年第10期

摘要：

本文基于大型有限元軟件ANSYS對大跨度無鉸拱渡槽———英那河渡槽進行了三維有限元數值模擬計算，著重對風荷載、水壓力、溫度應力、混凝土收縮和徐變等荷載影響下的主拱圈的應力和變形進行了分析。得出：無鉸拱主拱圈拱頂、拱腳及排架作用位置為關鍵受力部位；背風側拱肋在滿槽、溫度升高時壓應力最大；迎風側拱肋在空槽、溫度降低時壓應力最小；通過對英那河渡槽拱肋最不利截面各個角點的應力分析，為拱肋的抗裂分析提供了依據。通過對風荷載作用下拱肋變形的分析，得出：滿槽、空槽、溫升、溫降各工況拱肋沿風荷載方向變形幾乎相同；在滿槽、溫度降低時拱肋豎向位移最大。所得結論為無鉸拱渡槽的結構分析提供理論支持和實踐經驗。

關鍵詞：

大跨度；無鉸拱渡槽；拱肋；三維數值模擬

0引言

渡槽是跨越河渠、道路、山谷的重要輸水建筑物[1]。目前對于渡槽的研究大多針對渡槽槽身的分析[1~4]，利用有限元法對槽身在各種荷載作用下的應力和變形進行分析，給出控制截面的應力分布規律，為工程的設計提供依據。趙平[5]等將渡槽上、下部結構作為整體，對其進行整體動力學分析，得出了結構的固有頻率和渡槽內部水位的關系，為渡槽的動力學控制提供參考。劉祖軍[6]等僅對水作用下拱圈上下表面應力進行了簡單分析，給出了水壓力荷載作用下拱圈上下表面在拱軸線方向上的變化，卻未考慮風荷載、溫度荷載的影響。而且針對大跨度拱式渡槽拱肋的三維有限元研究相對較少，因此本文針對大跨度無鉸拱渡槽———英那河渡槽，采用大型有限元軟件ANSYS，對自重荷載、水壓力荷載、風荷載、溫度荷載、人群荷載組合下迎風側和背風側主拱圈的應力、橫向及豎向變形進行了透徹的分析，所得結論為其他大跨度渡槽的設計和研究提供實踐經驗。

1工程概況

英那河渡槽位于西干渠的英那河上，是西干渠的重要輸水建筑物，擔負著現有0.08萬hm2水田的灌溉任務。原渡槽建于1973年，經過多年運行，存在嚴重安全隱患，2013年對其進行拆除重建，重建后的英那河渡槽最大跨度仍為80m，拱圈結構型式為無鉸拱。英那河渡槽流量為5.06m3/s，為4級建筑物，設計水深為1.35m，滿槽水深為1.80m。主拱圈最大跨度為80m，屬大跨度結構。英那河渡槽沿線跨越兩條公路及英那河河道，全長479.80m，縱坡比降i=0.00163，進口底高程50.27m，出口底高程49.49m。槽身為鋼筋混凝土U型槽，渡槽下部結構為雙肋拱結構，其中24m跨度主拱圈2座、80m跨度主拱圈5座，主拱圈上U型渡槽為簡支梁式，采取8，10，10.6m等3種長度。渡槽自東向西共7副主拱圈，編號為1~7號，1號和7號拱肋跨度L=24m，2~6號拱肋跨度L=80m。本文著重研究2~6號主拱圈，其尺寸：拱軸線跨高為f=13.33m，矢跨比為1/6，截面高度由拱頂1.6m向拱腳漸變為1.96m，拱肋寬度為0.8m，拱腳10m范圍內漸變為1.2m，拱軸線為拋物線形，其方程為y=4fx（L-x）/L2，其中y為縱向坐標，x為橫向坐標。

2拱肋有限元模型的建立

2.1荷載分析

英那河渡槽位于地震VI度區，在不考慮地震荷載的條件下，渡槽承受的荷載還有重力、槽內水重、靜水壓力、風壓力、溫度作用、混凝土收縮及徐變影響力、人群荷載以及施工吊裝時的動力荷載等，此研究著重就以下4種荷載組合工況進行研究：1）空槽，自重+風荷載+人群+溫度（升）+混凝土收縮和徐變；2）空槽，自重+風荷載+人群+溫度（降）+混凝土收縮和徐變；3）滿槽，自重+水重+風荷載+人群+溫度（升）+混凝土收縮和徐變；4）滿槽，自重+水重+風荷載+人群+溫度（降）+混凝土收縮和徐變。自重荷載包括槽身、排架及拱肋的自重；此研究中的水重為滿槽水的水重；風荷載取滿槽時計算所得的風壓力設計值為1.743kN/m2；人群荷載取3kN/m2；溫度荷載根據大連市2012年年鑒渡槽所在莊河市最高月（8月）、最低月（1月）、拱圈合攏時（10月）的平均氣溫分別為T1=23.8℃、T2=11.6℃、T3=-10.1℃，因此溫升△t1=12.2℃，溫降△t2=-21.7℃；無鉸拱屬超靜定結構，需考慮混凝土收縮及徐變影響，混凝土收縮而引起的附加應力，可作為相應于溫度降低考慮。此研究渡槽拱圈整體澆筑，按溫降15℃考慮；徐變引起的應力松弛對拱圈應力的影響是有利的，計算拱圈的溫度和收縮影響時，可將拱圈內力乘以影響系數，溫度內力時影響系數為0.7，收縮內力時為0.45。

2.2有限元模型建立

本文主要采用有限元分析軟件ANSYS對變截面大跨度拱式渡槽拱肋的應力和變形進行分析。混凝土材料本構關系為線彈性，而且忽略鋼筋的作用，將拱腳認為為固定約束；采用beam189單元，每根拱肋沿80m拱跨方向劃分為80個單元，單元橫向投影長度為1m，單元截面寬度和高度按照實際情況自拱頂至拱腳逐漸增大。根據實際工程所建立的有限元簡化模型如圖1所示。渡槽槽身及上部荷載通過排架頂梁以均布荷載q的形式通過排架傳至拱肋，作用在槽身上的風荷載以集中力F作用于排架頂梁；另外，風荷載也作用于排架柱及拱肋上，該研究都以均布荷載的形式進行施加，風壓力方向為z正向吹向z負向。該研究坐標系采用笛卡爾坐標系，x為拱跨方向，y為豎直向上方向，z為逆風向方向。

3計算結果及分析

3.1計算條件

數值模擬時，作用在排架頂梁的均布荷載q以壓力形式施加在梁單元上，空槽時q為34.68kPa，滿槽時q為262.21kPa；風荷載產生的作用在排架上的集中力F為26.40kN；溫度升高工況時考慮收縮和徐變的影響后，溫度升高時為1.79℃，溫度降低時為-21.94℃，重力加速度取9.81m/s2。

3.2內力分析

不同工況下迎、背風側拱肋的軸力圖如圖2所示。圖中“空”、“滿”分別表示空槽和滿槽；“升”、“降”分別表示溫度升高和降低，以上4種工況分別對應表1中的1—4工況。從結果可看出，在風荷載作用下，迎風側拱肋的軸力在拱軸線方向上的變化不大，空槽時軸壓力約為2000kN，滿槽時軸壓力約為4000kN；背風側拱肋的軸力沿拱軸線方向呈拋物線形。無論迎風側還是背風側，溫度荷載對軸壓力的作用是一致的，即溫度升高能使軸壓力增加，溫度降低能使軸壓力減小。由于此研究對象為整體三維有限元模型，內力曲線的不光滑性體現了拱肋連系梁對拱肋的作用。圖3給出了不同工況下迎、背風側拱肋的彎矩圖，當拱肋上側纖維受拉時，彎矩為負，當拱肋下側纖維受拉時彎矩為正。從結果可看出，拱腳處彎矩使上部纖維受拉，彎矩最大；排架柱作用位置下部纖維受拉。在風荷載的作用下，背風側拱肋拱腳處的彎矩略大于迎風側拱肋；溫度升高能使拱腳處的彎矩減小，無論空槽和滿槽，溫度降低使拱腳處彎矩急劇增加。溫度升高時，拱頂處的彎矩趨近于0，隨著溫度的降低，由于重力的影響，拱頂處由上側纖維受拉轉為下層纖維受拉。圖4給出了不同工況下迎、背風側拱肋的軸向壓應力圖，由于迎風側的軸力在拱軸線方向上變化不大，而截面積自拱頂至拱腳不斷增大，因此其軸向壓應力自拱頂至拱腳不斷減小；背風側軸向壓應力隨著水重力荷載的增加而增加，無論空槽和滿槽，溫度升高使拱肋應力增加；在重力荷載的影響下，盡管背風側拱肋的軸力在不斷地增大，但是在單元10至單元1及單元70至單元80，壓應力沿著拱腳方向卻不斷減小，這是由于拱腳處10m范圍內除了拱肋高度在不斷地增加外，拱肋寬度也在不斷地增加，致使拱肋壓應力得到了有效的降低，進一步證明設計所采用的變截面措施對降低拱肋應力的作用。通過比較各種工況下拱肋各截面的偏心距大小，得出拱肋在空槽、溫度降低時拱腳截面y和z方向的偏心距均為最大，因此圖5給出了該工況下拱腳處截面迎、背風側的應力分布圖。從圖5中可看出，由于風荷載的作用，下層纖維背風側最大壓應力值大于迎風側；上部纖維最小壓應力值為-0.0002MPa，未出現拉應力，進一步驗證了拱肋截面及拱軸線矢跨比選擇的合理性。

3.3變形分析

圖6給出了不同工況下迎、背風側拱肋位移曲線圖，圖中Uy表示拱圈豎向位移值，Uz表示拱圈沿風荷載方向上的水平位移。從圖6中結果可以看出，迎風側拱肋豎向位移普遍小于背風側的豎向位移值，拱肋豎向位移大致呈拋物線形式，拱頂位移最大，拱腳處位移為0，最大豎向位移發生在滿槽、溫度降低時背風側拱肋的拱頂，值約為0.04m，由于拱肋施工時，沿拱軸線方向設置了1/1000的預拱度，因此拱肋的撓度不會對拱軸線變形后的內力產生大的影響；從圖6中豎向位移還可看出，最小位移發生在空槽、溫度升高時的迎風側拱肋；無論空槽或滿槽，溫度升高能使拱軸線豎向位移減小，溫度降低使豎向位移增大。順風向的位移Uz在各種工況下在拱軸線方向也呈拋物線形式，但由于此位移僅和風荷載的大小相關，而且兩拱肋通過連系梁同步變形，因此迎、背風側拱肋的水平位移值Uz大致相等。如圖6所示，最大水平位移位于拱頂，值為-0.027m，變形值均在規范允許范圍內。

4結論

以上基于遼寧省大連市英那河渡槽，對大跨度無鉸拱拋物線渡槽進行了三維有限元數值模擬計算。通過對水壓力、風荷載、溫度荷載、混凝土收縮和徐變等作用下迎、背風側拱肋的應力和變形結果分析，得出以下結論：

1）無鉸拱主拱圈拱頂、拱腳及排架作用位置為關鍵受力部位；

2）背風側拱肋在滿槽、溫度升高時壓應力最大，迎風側拱肋在空槽、溫度降低時壓應力最小；

3）拱腳處截面為大偏心受壓截面，各種不同工況下，拱腳截面處未出現拉應力；

4）設計所采用的增加拱頂至拱腳拱肋高度，以及增加拱腳10m范圍內拱肋寬度的技術措施，能夠有效降低拱肋應力；

5）溫度升高能使拱軸線豎向位移減小，溫度降低使豎向位移增大；滿槽、溫降時背風側的豎向位移最大，空槽、溫升時，迎風側的豎向位移最小。

參考文獻：

［1］趙，劉憲亮，韓麗峰.渡槽三維有限元分析［J］.山西建筑，2008，34（1）：355—356.

［2］翟利軍，孟旭央，吉曉紅.漕河渡槽的三維有限元仿真研究［J］.紅水河，2010，29（6）：68-71.

［3］楊栗，李峰，朱敏.漕河渡槽應力場三維有限元模擬［J］.北京水務，2011，1（6）：40—43.

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［5］趙平，劉祚秋，陳文義，李樹瑤.大型渡槽上、下部整體三維有限元動力分析［J］.華北水利水電學院學報，1997，18（1）：35—38.

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［7］張健，羅亞松，彭旭東.大跨度混凝土拱式渡槽拱圈設計與施工［J］.中國農村水利水電，2014（7）：120—122，125.

作者:宋兵偉 程漢昆 欒俊亮 單位:大連市水利建筑設計院