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大跨度无铰拱渡槽拱肋模拟研究范文

时间:2022-11-01 02:58:30

大跨度无铰拱渡槽拱肋模拟研究

《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

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