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某大型预应力渡槽结构应力变形有限元计算分析

2024-11-10 54 上传者：管理员

摘要：渡槽作为常用输水建筑物在引调水、灌区建设工程中应用广泛。大型渡槽承受自身重量、满载水深、环境温度等荷载综合作用，结构设计及配筋验算较为复杂，目前尚未有针对渡槽的设计规范可循。以湖北某大型预应力渡槽为研究对象，采用有限元计算软件分析预应力渡槽在完建期和运行期不同工况组合下应力变形情况，验证预应力钢绞线布置合理性。计算结果表明：各工况下，槽身纵向均为压应力，且有一定预压余度，预应力钢绞线布置合理。基于有限元计算结果，对渡槽横向配筋进行验算，设计成果可供类似工程参考。

关键词：
大型渡槽
应力变形分析
有限元
配筋验算
预应力
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1、概况

渡槽是用于输送渠道水流，跨越河渠、道路、山冲、谷口等的架空输水建筑物，在水利工程中应用广泛[1]。大型渡槽承受自身重量、满载水深、环境温度等荷载综合作用，往往需布置预应力钢绞线，减小结构变形，改善应力分布。其结构设计及配筋验算较为复杂，目前尚未有专门针对渡槽的设计规范可循。

工程实践表明，温度作用对渡槽此类超静定框架结构有重大影响，但因其复杂性，至今尚无成熟计算方法[2]。SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》中建议[3]:“考虑温度作用计算时适当降低各构件的刚度，以考虑构件开裂后刚度下降对温度效应的影响”或者“考虑结构开裂，按非线性分析程序，经逐步迭代，求得外荷载与温度共同作用下的最终内力”,但规范和已有文献中并没有给出具体计算方法[3]。

近年来，数值分析凭借其可全面考虑钢绞线布置、边界条件及荷载作用的优势，成为大型预应力渡槽结构分析的一种可靠方法[4- 6]。当前针对大型三维预应力渡槽数值分析的研究主要集中在预应力钢绞线配置合理性分析，对槽身整体配筋分析较少[7- 9]。此外，不少研究重点关注了结构荷载对槽身应力变形的影响[10- 12],未考虑温度荷载效应，无法满足设计规范要求[13]。

本文以湖北省某大型预应力渡槽为研究对象，应用有限元数值软件计算分析渡槽在完建期和运行期不同工况组合下应力变形情况，验证预应力钢绞线布置合理性。此外，通过后处理程序计算了渡槽横、纵断面内力，给出了相应配筋建议。

2、有限元计算模型

渡槽单跨长32m,设计流量7.25m3/s,满槽水深3.0m。采用C50混凝土后张法预应力有拉杆加肋矩形结构，槽身净宽4.5m,净高3.0m。槽顶设间距2.5m拉杆，槽身设间距2.5m底肋及侧肋，底板厚0.4m、侧墙厚度0.4m。在渡槽底部大梁、底板和侧墙沿槽身方向布置纵向预应力钢铰线。采用fptk=1860N/mm2级高强度低松弛钢绞线，公称直径15.2mm,公称截面积140mm2。

槽身混凝土采用solid 185六面体单元类型，划分单元307387个，节点323487个；预应力钢绞线采用link 180杆单元类型，划分单元7694个，节点7718个。坐标轴以x为横槽向，y为顺槽向，z为竖直向。模型底部支座处施加竖向位移约束，跨中横向对称面及中间纵向对称面施加对称约束。预应力钢绞线与槽身采用不共节点方式建模，通过节点耦合方程约束槽身与预应力钢绞线共同变形，钢绞线与槽身无相对滑移[14]。采用降温法施加预应力。模型通过检查后满足精度要求，渡槽有限元计算网格如图1所示。

图1渡槽结构有限元模型

3、计算参数及工况组合

3.1 计算材料参数

参数选取根据SL 191—2008相关规定[3]。

表1计算材料参数

3.2 计算工况与荷载组合

计算中考虑以下荷载施加[15]:①结构自重、水重和水压力，重力加速度取9.81m/s2,水容重取为10kN/m3。②预应力，施加预应力要根据控制应力扣除损失，计算中对于直线筋按控制应力的80%施加，曲线筋按控制应力的75%施加。③风荷载，作用于槽身侧面，风载强度1.0kPa。④行人荷载，以均布荷载作用于顶板，取3.0kPa。⑤温度作用，依据工程区气象资料，多年平均气温15.5℃,多年平均水温13.5℃;夏季输水取7月多年平均气温27.5℃,平均水温22.5℃;冬季输水取1月多年平均气温2.5℃,平均水温4.5℃。

根据SL 191—2008[3]及SL 744—2016《水工建筑物荷载设计规范》[13],变形、应力和裂缝验算应按正常使用极限状态验算，荷载采用标准组合，永久作用和可变作用分项系数均采用1.0。鉴于渡槽是超静定钢筋混凝土结构，本文只对运用期温度作用进行分析[14],主要考虑工况荷载组合见表2。

表2计算工况及荷载组合

4、计算结果分析

4.1 应力变形结果分析

针对预应力渡槽有限元数值计算，容易在支座端部，肋板、拉杆与槽身衔接处和预应力钢绞线接头处出现较大应力集中[15]。局部应力集中可以通过局部加强配筋、增设锚垫板解决，可不作为整体应力与变形控制因素。因此，重点针对不同工况下槽身应力与变形进行分析。

工况1完建无水工况下，槽身最大、最小主应力(S1、S3)和竖向位移(Uz)如图2所示。最大应力S1在-0.41～1.28MPa之间，最大应力出现在拉杆与槽身结合部位；最小主应力S3在-6.88～-0.81MPa之间，最小应力出现在槽身靠支座两端部位；由于预应力钢绞线作用，在空槽状态下槽身出现一定程度反拱，最大竖向位移出现在槽身跨中上部，约0.5mm。

工况2满槽水深工况下，槽身最大、最小主应力(S1、S3)和竖向位移(Uz)如图3所示。最大应力S1在-1.13～2.06MPa之间，最大应力出现在侧墙与底板结合部位；最小主应力S3在-12.4～-1.05MPa之间，最小应力出现在槽身跨中靠上部位；最大竖向位移出现在槽身跨中处，约4.78mm。

图2工况1下槽身应力与变形云图

工况3满槽水深+冬季温降工况下，槽身最大、最小主应力(S1、S3)和竖向位移(Uz)如图4所示。最大应力S1在-0.98～1.93MPa之间，最大应力出现在底部背水面部位；最小主应力S3在-11.0～-0.73MPa之间，最小应力出现在槽身跨中上部；最大竖向位移出现在槽身跨中处，约4.97mm。

工况4满槽水深+夏季温升工况下，槽身最大、最小主应力(S1、S3)和竖直向位移(Uz)如图5所示。最大应力S1在-1.26～3.07MPa之间，最大应力出现在侧墙与底板结合部位；最小主应力S3在-11.0～-0.73MPa之间，最小应力出现在槽身跨中上部；槽身最大竖向位移出现在槽身跨中处，约4.61mm。

整体而言，结构受力变形符合其荷载作用规律，在空槽情况下，由于钢绞线预压作用，槽身出现一定程度的反拱，槽内在水压力作用工况下向下变形，各工况下变形均较小，满足规范[13]要求。渡槽在各工况下应力分布均匀，槽身未出现明显较大拉应力区，结构拉应力可通过配筋分担。

4.2 渡槽结构配筋复核分析

出于渡槽长期服役安全考虑，将温度作用与其他荷载按常规组合，选取最不利工况进行配筋及抗裂验算。

4.2.1 结构纵向配筋复核

不同工况下槽身跨中截面纵向应力(Sy)云图如图6所示。由图6中可以看出，由于配有纵向预应力钢绞线，槽身纵向基本处于受压状态，最小压应力为0.89MPa,最大压应力为8.83MPa,有一定预压余度。温度作用对渡槽纵向受力影响较小，纵向可以按照构造要求配筋。

4.2.2 结构横向配筋分析

结合受力特点，底板可视为四边固定于底肋及底梁的矩形双向板；侧墙可视为三边固定于两横肋及底梁，顶边自由的矩形双向板；底肋、边肋可按照T型梁构件考虑；拉杆为视为矩形受拉杆。针对各断面，计算弯矩轴力，进行配筋验算。不同结构部位在各工况组合下配筋计算结果见表3。

图3工况2下槽身应力与变形云图

图4工况3下槽身应力与变形云图

图5工况4下槽身应力与变形云图

图6槽身纵向应力云图

由计算结果可知，横向内力配筋计算时，渡槽为超静定框架结构，温度应力影响较大，配筋均以夏季温升或冬季温降叠加自重和水重、水压荷载为控制工况。冬季温降工况下，受整体温降及内高外低温度梯度作用影响，叠加槽身自重、槽内水压力，在底板背水面出现较大拉应力；夏季温升工况下，受整体温升和内低外高温度梯度作用影响，叠加槽内水压力，在侧墙迎水面形成较大拉应力。渡槽横向配筋不宜小于表3中计算值，未给出配筋面积部分，可按构造要求配筋。在支座端部，肋板、拉杆与槽身衔接处，和预应力钢绞线接头等应力集中处，需局部加强配筋。

表3渡槽横向配筋计算表

5、结论

(1)基于有限元数值分析对某大型预应力渡槽不同工况荷载组合下应力变形进行了分析，计算结果表明，槽身纵断面未出现拉应力，且有一定受压余度，槽身整体变形较小，验证了预应力钢绞线布置合理性。

(2)针对槽身横向配筋进行了验算，选取了底板、侧墙、底肋、边肋和拉杆典型横断面进行截面内力计算、配筋验算，给出了配筋建议，可为类似工程设计提供参考。

(3)温度作用对矩形带肋渡槽此类框架式超静定结构影响较大，不均匀温度梯度会导致渡槽发生翘曲变形，影响预应力分布，造成混凝土损伤老化和局部开裂，带来安全隐患，需进一步研究。

参考文献:

[1]熊启钧.灌区建筑物的混凝土结构计算[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[2]顾辉.输水建筑物渡槽工程勘察设计95例[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[3]SL 191—2008.水工混凝土结构设计规范[S].

[4]黄桂林,张兵.鄂北地区水资源配置工程大跨度预应力渡槽三维有限元分析[J].水利水电技术,2016(7):27- 31.

[5]陈家东,林明标,陈积瞻,等.海南牛路岭灌区工程高大跨度拱式渡槽抗震性能分析[J].水利水电快报,2022(9):35- 39,48.

[6]圣玉兰,段亚辉.杨家坝渡槽结构应力与变形三维有限元分析[J].水电能源科学,2011(7):89- 92.