大跨度无铰拱渡槽拱肋模拟研究范文

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《东北水利水电杂志》2016年第10期

摘要：

本文基于大型有限元软件ANSYS对大跨度无铰拱渡槽———英那河渡槽进行了三维有限元数值模拟计算，着重对风荷载、水压力、温度应力、混凝土收缩和徐变等荷载影响下的主拱圈的应力和变形进行了分析。得出：无铰拱主拱圈拱顶、拱脚及排架作用位置为关键受力部位；背风侧拱肋在满槽、温度升高时压应力最大；迎风侧拱肋在空槽、温度降低时压应力最小；通过对英那河渡槽拱肋最不利截面各个角点的应力分析，为拱肋的抗裂分析提供了依据。通过对风荷载作用下拱肋变形的分析，得出：满槽、空槽、温升、温降各工况拱肋沿风荷载方向变形几乎相同；在满槽、温度降低时拱肋竖向位移最大。所得结论为无铰拱渡槽的结构分析提供理论支持和实践经验。

关键词：

大跨度；无铰拱渡槽；拱肋；三维数值模拟

0引言

渡槽是跨越河渠、道路、山谷的重要输水建筑物[1]。目前对于渡槽的研究大多针对渡槽槽身的分析[1~4]，利用有限元法对槽身在各种荷载作用下的应力和变形进行分析，给出控制截面的应力分布规律，为工程的设计提供依据。赵平[5]等将渡槽上、下部结构作为整体，对其进行整体动力学分析，得出了结构的固有频率和渡槽内部水位的关系，为渡槽的动力学控制提供参考。刘祖军[6]等仅对水作用下拱圈上下表面应力进行了简单分析，给出了水压力荷载作用下拱圈上下表面在拱轴线方向上的变化，却未考虑风荷载、温度荷载的影响。而且针对大跨度拱式渡槽拱肋的三维有限元研究相对较少，因此本文针对大跨度无铰拱渡槽———英那河渡槽，采用大型有限元软件ANSYS，对自重荷载、水压力荷载、风荷载、温度荷载、人群荷载组合下迎风侧和背风侧主拱圈的应力、横向及竖向变形进行了透彻的分析，所得结论为其他大跨度渡槽的设计和研究提供实践经验。

1工程概况

英那河渡槽位于西干渠的英那河上，是西干渠的重要输水建筑物，担负着现有0.08万hm2水田的灌溉任务。原渡槽建于1973年，经过多年运行，存在严重安全隐患，2013年对其进行拆除重建，重建后的英那河渡槽最大跨度仍为80m，拱圈结构型式为无铰拱。英那河渡槽流量为5.06m3/s，为4级建筑物，设计水深为1.35m，满槽水深为1.80m。主拱圈最大跨度为80m，属大跨度结构。英那河渡槽沿线跨越两条公路及英那河河道，全长479.80m，纵坡比降i=0.00163，进口底高程50.27m，出口底高程49.49m。槽身为钢筋混凝土U型槽，渡槽下部结构为双肋拱结构，其中24m跨度主拱圈2座、80m跨度主拱圈5座，主拱圈上U型渡槽为简支梁式，采取8，10，10.6m等3种长度。渡槽自东向西共7副主拱圈，编号为1~7号，1号和7号拱肋跨度L=24m，2~6号拱肋跨度L=80m。本文着重研究2~6号主拱圈，其尺寸：拱轴线跨高为f=13.33m，矢跨比为1/6，截面高度由拱顶1.6m向拱脚渐变为1.96m，拱肋宽度为0.8m，拱脚10m范围内渐变为1.2m，拱轴线为抛物线形，其方程为y=4fx（L-x）/L2，其中y为纵向坐标，x为横向坐标。

2拱肋有限元模型的建立

2.1荷载分析

英那河渡槽位于地震VI度区，在不考虑地震荷载的条件下，渡槽承受的荷载还有重力、槽内水重、静水压力、风压力、温度作用、混凝土收缩及徐变影响力、人群荷载以及施工吊装时的动力荷载等，此研究着重就以下4种荷载组合工况进行研究：1）空槽，自重+风荷载+人群+温度（升）+混凝土收缩和徐变；2）空槽，自重+风荷载+人群+温度（降）+混凝土收缩和徐变；3）满槽，自重+水重+风荷载+人群+温度（升）+混凝土收缩和徐变；4）满槽，自重+水重+风荷载+人群+温度（降）+混凝土收缩和徐变。自重荷载包括槽身、排架及拱肋的自重；此研究中的水重为满槽水的水重；风荷载取满槽时计算所得的风压力设计值为1.743kN/m2；人群荷载取3kN/m2；温度荷载根据大连市2012年年鉴渡槽所在庄河市最高月（8月）、最低月（1月）、拱圈合拢时（10月）的平均气温分别为T1=23.8℃、T2=11.6℃、T3=-10.1℃，因此温升△t1=12.2℃，温降△t2=-21.7℃；无铰拱属超静定结构，需考虑混凝土收缩及徐变影响，混凝土收缩而引起的附加应力，可作为相应于温度降低考虑。此研究渡槽拱圈整体浇筑，按温降15℃考虑；徐变引起的应力松弛对拱圈应力的影响是有利的，计算拱圈的温度和收缩影响时，可将拱圈内力乘以影响系数，温度内力时影响系数为0.7，收缩内力时为0.45。

2.2有限元模型建立

本文主要采用有限元分析软件ANSYS对变截面大跨度拱式渡槽拱肋的应力和变形进行分析。混凝土材料本构关系为线弹性，而且忽略钢筋的作用，将拱脚认为为固定约束；采用beam189单元，每根拱肋沿80m拱跨方向划分为80个单元，单元横向投影长度为1m，单元截面宽度和高度按照实际情况自拱顶至拱脚逐渐增大。根据实际工程所建立的有限元简化模型如图1所示。渡槽槽身及上部荷载通过排架顶梁以均布荷载q的形式通过排架传至拱肋，作用在槽身上的风荷载以集中力F作用于排架顶梁；另外，风荷载也作用于排架柱及拱肋上，该研究都以均布荷载的形式进行施加，风压力方向为z正向吹向z负向。该研究坐标系采用笛卡尔坐标系，x为拱跨方向，y为竖直向上方向，z为逆风向方向。

3计算结果及分析

3.1计算条件

数值模拟时，作用在排架顶梁的均布荷载q以压力形式施加在梁单元上，空槽时q为34.68kPa，满槽时q为262.21kPa；风荷载产生的作用在排架上的集中力F为26.40kN；温度升高工况时考虑收缩和徐变的影响后，温度升高时为1.79℃，温度降低时为-21.94℃，重力加速度取9.81m/s2。

3.2内力分析

不同工况下迎、背风侧拱肋的轴力图如图2所示。图中“空”、“满”分别表示空槽和满槽；“升”、“降”分别表示温度升高和降低，以上4种工况分别对应表1中的1—4工况。从结果可看出，在风荷载作用下，迎风侧拱肋的轴力在拱轴线方向上的变化不大，空槽时轴压力约为2000kN，满槽时轴压力约为4000kN；背风侧拱肋的轴力沿拱轴线方向呈抛物线形。无论迎风侧还是背风侧，温度荷载对轴压力的作用是一致的，即温度升高能使轴压力增加，温度降低能使轴压力减小。由于此研究对象为整体三维有限元模型，内力曲线的不光滑性体现了拱肋连系梁对拱肋的作用。图3给出了不同工况下迎、背风侧拱肋的弯矩图，当拱肋上侧纤维受拉时，弯矩为负，当拱肋下侧纤维受拉时弯矩为正。从结果可看出，拱脚处弯矩使上部纤维受拉，弯矩最大；排架柱作用位置下部纤维受拉。在风荷载的作用下，背风侧拱肋拱脚处的弯矩略大于迎风侧拱肋；温度升高能使拱脚处的弯矩减小，无论空槽和满槽，温度降低使拱脚处弯矩急剧增加。温度升高时，拱顶处的弯矩趋近于0，随着温度的降低，由于重力的影响，拱顶处由上侧纤维受拉转为下层纤维受拉。图4给出了不同工况下迎、背风侧拱肋的轴向压应力图，由于迎风侧的轴力在拱轴线方向上变化不大，而截面积自拱顶至拱脚不断增大，因此其轴向压应力自拱顶至拱脚不断减小；背风侧轴向压应力随着水重力荷载的增加而增加，无论空槽和满槽，温度升高使拱肋应力增加；在重力荷载的影响下，尽管背风侧拱肋的轴力在不断地增大，但是在单元10至单元1及单元70至单元80，压应力沿着拱脚方向却不断减小，这是由于拱脚处10m范围内除了拱肋高度在不断地增加外，拱肋宽度也在不断地增加，致使拱肋压应力得到了有效的降低，进一步证明设计所采用的变截面措施对降低拱肋应力的作用。通过比较各种工况下拱肋各截面的偏心距大小，得出拱肋在空槽、温度降低时拱脚截面y和z方向的偏心距均为最大，因此图5给出了该工况下拱脚处截面迎、背风侧的应力分布图。从图5中可看出，由于风荷载的作用，下层纤维背风侧最大压应力值大于迎风侧；上部纤维最小压应力值为-0.0002MPa，未出现拉应力，进一步验证了拱肋截面及拱轴线矢跨比选择的合理性。

3.3变形分析

图6给出了不同工况下迎、背风侧拱肋位移曲线图，图中Uy表示拱圈竖向位移值，Uz表示拱圈沿风荷载方向上的水平位移。从图6中结果可以看出，迎风侧拱肋竖向位移普遍小于背风侧的竖向位移值，拱肋竖向位移大致呈抛物线形式，拱顶位移最大，拱脚处位移为0，最大竖向位移发生在满槽、温度降低时背风侧拱肋的拱顶，值约为0.04m，由于拱肋施工时，沿拱轴线方向设置了1/1000的预拱度，因此拱肋的挠度不会对拱轴线变形后的内力产生大的影响；从图6中竖向位移还可看出，最小位移发生在空槽、温度升高时的迎风侧拱肋；无论空槽或满槽，温度升高能使拱轴线竖向位移减小，温度降低使竖向位移增大。顺风向的位移Uz在各种工况下在拱轴线方向也呈抛物线形式，但由于此位移仅和风荷载的大小相关，而且两拱肋通过连系梁同步变形，因此迎、背风侧拱肋的水平位移值Uz大致相等。如图6所示，最大水平位移位于拱顶，值为-0.027m，变形值均在规范允许范围内。

4结论

以上基于辽宁省大连市英那河渡槽，对大跨度无铰拱抛物线渡槽进行了三维有限元数值模拟计算。通过对水压力、风荷载、温度荷载、混凝土收缩和徐变等作用下迎、背风侧拱肋的应力和变形结果分析，得出以下结论：

1）无铰拱主拱圈拱顶、拱脚及排架作用位置为关键受力部位；

2）背风侧拱肋在满槽、温度升高时压应力最大，迎风侧拱肋在空槽、温度降低时压应力最小；

3）拱脚处截面为大偏心受压截面，各种不同工况下，拱脚截面处未出现拉应力；

4）设计所采用的增加拱顶至拱脚拱肋高度，以及增加拱脚10m范围内拱肋宽度的技术措施，能够有效降低拱肋应力；

5）温度升高能使拱轴线竖向位移减小，温度降低使竖向位移增大；满槽、温降时背风侧的竖向位移最大，空槽、温升时，迎风侧的竖向位移最小。

参考文献：

［1］赵，刘宪亮，韩丽峰.渡槽三维有限元分析［J］.山西建筑，2008，34（1）：355—356.

［2］翟利军，孟旭央，吉晓红.漕河渡槽的三维有限元仿真研究［J］.红水河，2010，29（6）：68-71.

［3］杨栗，李峰，朱敏.漕河渡槽应力场三维有限元模拟［J］.北京水务，2011，1（6）：40—43.

［4］郑重阳，彭辉，任德记.南水北调中线工程泲河渡槽三维有限元分析［J］.长江科学院院报，2013，30（05）：86—91.

［5］赵平，刘祚秋，陈文义，李树瑶.大型渡槽上、下部整体三维有限元动力分析［J］.华北水利水电学院学报，1997，18（1）：35—38.

［6］刘祖军，李军，赵顺波.拱式渡槽结构受力性能三维有限元分析［J］.水利水电技术，2006，37（9）：30—32.

［7］张健，罗亚松，彭旭东.大跨度混凝土拱式渡槽拱圈设计与施工［J］.中国农村水利水电，2014（7）：120—122，125.

作者:宋兵伟 程汉昆 栾俊亮 单位:大连市水利建筑设计院