斜拉式渡槽結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算

周潤(rùn)　陳玲　張振東　葉永

摘 要：渡槽是架設(shè)于山谷、洼地、河流之上，用于通水、通行和通航的水工建筑物。設(shè)計(jì)制作斜拉式渡槽模型，進(jìn)行了模型結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)力計(jì)算。通過(guò)模型承水和承砂實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形和塑形變形的分界荷載及達(dá)到破壞條件的極限荷載，然后利用結(jié)構(gòu)求解器對(duì)固定荷載作用下最有可能發(fā)生破壞的點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算，均能滿(mǎn)足強(qiáng)度條件，驗(yàn)證了模型設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：斜拉式渡槽 模型設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn) 應(yīng)力分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TV672 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）-0078-02

1 模型設(shè)計(jì)

斷面的設(shè)計(jì)：結(jié)合相關(guān)水力學(xué)[1]知識(shí)和實(shí)驗(yàn)的最大流量，通過(guò)計(jì)算最終設(shè)計(jì)出槽深mm，寬度mm，槽身長(zhǎng)度mm的矩形斷面渡槽。

支撐形式的設(shè)計(jì)：考慮模型的美觀(guān)性，模型每一端的斜拉索為10根，整個(gè)模型共有40根，每個(gè)拉索之間的距離為38mm[1]。為了減小桿端彎矩，選擇了外伸梁的方式[2]，將主支撐桿離桿端的距離設(shè)計(jì)為228mm。得出模型的設(shè)計(jì)圖（圖1）。

2 模型實(shí)驗(yàn)

2.1 承水實(shí)驗(yàn)

模型制作完成后進(jìn)行承水實(shí)驗(yàn)，由于渡槽槽身是由白卡紙制作完成的[3]，為了防止水浸濕白卡紙而降低模型的承載能力，故在槽身上鋪設(shè)一層防水膜。實(shí)驗(yàn)前，稱(chēng)得模型和防水膜的總質(zhì)量為511.2g。采用梯級(jí)加載的方式，并設(shè)置如圖1所示的A、B、C、D、E五個(gè)位移控制點(diǎn)，邊加載邊記錄位移數(shù)據(jù)[5]。

模型的兩端同時(shí)緩慢加水，每次加入2kg的水，直到加入水的質(zhì)量為8kg之后才能測(cè)出位移，于是從10kg開(kāi)始每次加入5kg的水，待水在模型中穩(wěn)定后仔細(xì)測(cè)出模型位移控制點(diǎn)到基準(zhǔn)面的距離。當(dāng)加入水的總質(zhì)量達(dá)到24kg時(shí)，此時(shí)渡槽已經(jīng)被水裝滿(mǎn)不能夠再繼續(xù)加載。表1是渡槽主梁中點(diǎn)處隨所加水質(zhì)量的增加的位移值。

承水實(shí)驗(yàn)結(jié)束卸掉荷載之后，再次測(cè)量渡槽中心點(diǎn)處的位移，發(fā)現(xiàn)為0，恢復(fù)到之前的位置。猜想模型在承水實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的變形是彈性變形。

2.2 承砂實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步測(cè)試模型的承載能力，換用了密度更大的鐵砂來(lái)做承砂實(shí)驗(yàn)。重復(fù)承水實(shí)驗(yàn)的操作，進(jìn)行承砂實(shí)驗(yàn)。表2是渡槽在承砂實(shí)驗(yàn)中主梁中點(diǎn)處的位移值。

當(dāng)鐵砂質(zhì)量達(dá)到52kg時(shí)，模型發(fā)生了較大的變形，故停止加載，并推測(cè)模型的極限荷載>52kg。承砂實(shí)驗(yàn)結(jié)束卸除掉荷載之后可以明顯看到在斜拉式渡槽模型上有不能恢復(fù)的變形，說(shuō)明模型在承受52kg荷載時(shí)發(fā)生了塑性變形，為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，同樣利用MATLAB軟件畫(huà)出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，如圖2所示，并通過(guò)回歸分析，分別選定一次和二次線(xiàn)型擬合。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)二次曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)更大，達(dá)到了0.985 3，說(shuō)明選用二次曲線(xiàn)擬合的效果更好。

通過(guò)以上分析可以得出結(jié)論：模型在承受30kg以上的重量時(shí)發(fā)生了塑性變形，可以將30kg作為模型彈性變形與塑形變形的分界荷載。

3 模型計(jì)算

3.1 模型建立

在結(jié)構(gòu)求解器中建立斜拉式渡槽的模型[4]，共建立38個(gè)節(jié)點(diǎn)，56個(gè)單元。主支撐下桿端為鉸接，上端自由；主梁的兩端為自由。在實(shí)驗(yàn)中斜拉式渡槽模型承受的最大重量是52kg，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器模型中的均布荷載為254.8N/m。經(jīng)過(guò)計(jì)算，梁和桿的抗拉剛度為226 000N/m，抗彎剛度為1.83N/m，而拉索的抗拉剛度為1 302N/m，抗彎剛度。建立如圖3所示的結(jié)構(gòu)求解器模型。

3.2 應(yīng)力校核

（1）主梁應(yīng)力校核。

（2）支撐桿應(yīng)力校核。

（3）拉索應(yīng)力校核。

3.3 位移計(jì)算

把三維斜拉式渡槽模型簡(jiǎn)化為平面二維圖形，并通過(guò)結(jié)構(gòu)求解器建立模型畫(huà)出整個(gè)結(jié)構(gòu)在承受最大荷載時(shí)的位移圖，如圖4所示。

由變形可以得出主梁上的變形呈現(xiàn)“中間大兩邊小”的特征，并且主梁中心點(diǎn)的位移是向下的，而主梁兩端點(diǎn)變形是向上的。在結(jié)構(gòu)求解器中求得5個(gè)位移控制點(diǎn)的位移[5]，并且與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的位移控制點(diǎn)的變形值進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)表3。正號(hào)表示位移向上，負(fù)號(hào)表示位移向下。

由于結(jié)構(gòu)求解器是將空間三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面二維問(wèn)題來(lái)解決的，所以結(jié)構(gòu)求解器與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比是存在誤差的，但是在極限荷載之前的誤差是在允許范圍內(nèi)的。

4 結(jié)語(yǔ)

斜拉式渡槽通過(guò)拉索的作用，可以有效地改善渡槽主縱梁的受力和變形條件，使得渡槽可以承受更大的荷載，并且渡槽具有美觀(guān)性，在實(shí)際中具有很大的可用性。在此次研究中，渡槽模型的實(shí)驗(yàn)值和結(jié)構(gòu)求解器中的求解值的誤差在允許范圍之內(nèi)，說(shuō)明模型的制作及相關(guān)計(jì)算是準(zhǔn)確的。通過(guò)模型的理論計(jì)算和實(shí)際加載實(shí)驗(yàn)，得出渡槽的極限荷載約為52kg，破壞點(diǎn)為主梁中點(diǎn)截面的下邊緣，此時(shí)最大的位移量10mm。模型在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中先發(fā)生彈性變形，再發(fā)生塑性變形，并且彈性變形與塑性變形的分解荷載時(shí)30kg。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳持恭.水力學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

[2] 林繼鏞.水工建筑物[M].5版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[3] 梅華，賈存坤，周曉霞.斜拉式渡槽設(shè)計(jì)[J].西北水利發(fā)電，2006（S1）：50-51.

[4] 王漢杰.玉柱斜拉式渡槽設(shè)計(jì)與施工[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991（1）：64-69.

[5] 崔心貝.斜拉式渡槽應(yīng)用中的若干問(wèn)題[J].水利水電技術(shù)，1988（8）：49-53.