較高水頭大跨度迷宮堰的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)研究及其方案比較

孫葉芝

(河北省邢臺(tái)市任澤區(qū)水務(wù)局，河北 邢臺(tái) 100024)

1 工程概況

迷宮堰作為新型的無(wú)閘擋水溢流結(jié)構(gòu)，因其具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)新穎、景觀效果好、無(wú)上部結(jié)構(gòu)等一系列的特點(diǎn)，在城市河道建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用[1-5]。曲線形迷宮堰作為最為典型的堰形，應(yīng)用最為廣泛，伴隨著工程建設(shè)的需要，迷宮堰擋水高度逐漸由低水頭、小跨度向較高水頭、大跨度方向發(fā)展。因此，為了探究較高水頭下曲線形迷宮堰的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，有必要針對(duì)較高水頭下不同跨徑比的大跨度迷宮堰的受力特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，以期為后續(xù)工程建設(shè)的實(shí)施提供參考。

擬研究工程位于某城市河道中部位置，由于城市規(guī)劃建設(shè)的需要，在河道中部需要建設(shè)擋水迷宮堰，以期為城市提供水系景觀[6-7]。本工程河道寬80 m，初擬采用鋼筋混凝土迷宮堰結(jié)構(gòu)，堰體直墻壁厚0.8 m，底板厚1 m，堰體擋水高度7 m，底板順?biāo)鞣较驅(qū)?2 m，底板垂直水流方向每隔16 m設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，并設(shè)置止水設(shè)施底板坐落在基巖上，典型平面布置圖見(jiàn)圖1。為了研究從結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)方面進(jìn)行迷宮堰定型設(shè)計(jì)，在保證擋水高度和跨度一致的前提下，初擬采用3種不同跨徑比的堰體，開(kāi)展擋水工況下的結(jié)構(gòu)受力對(duì)比分析。

圖1 曲線形及折線形迷宮堰平面圖

2 計(jì)算模型及邊界條件

2.1 計(jì)算模型及材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，按照結(jié)構(gòu)垂直水流方向的分縫設(shè)置情況，迷宮堰順?biāo)鞣较虻装鍖?2 m，垂直水流方向每16 m設(shè)置一道分縫，工程所在部位地勢(shì)平坦，地層分布均勻。因此為了計(jì)算方便，本文選擇兩個(gè)結(jié)構(gòu)縫之間長(zhǎng)16 m的典型迷宮堰結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究。

采用有限元軟件，建立該段曲線形及折線形迷宮堰的三維計(jì)算模型，見(jiàn)圖2。模型順?biāo)髂Ｐ烷L(zhǎng)度為12 m，垂直水流向模型寬度為16 m，邊墻高7 m，該模型中迷宮堰的底板及邊墻等均采用3D實(shí)體四面體。結(jié)合工程實(shí)際，迷宮堰采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，重度25 kN/m3，彈性模量為3.0e7 kPa，泊松比0.167。

圖2 曲線形及折線形迷宮堰三維模型圖

2.2 邊界條件

為了計(jì)算準(zhǔn)確，需要結(jié)合建筑物的實(shí)際受力情況，對(duì)模型設(shè)置約束及荷載。約束設(shè)置時(shí)，以豎直方向?yàn)閆軸，在模型的四周XZ、YZ對(duì)稱面設(shè)置垂直于對(duì)稱面的滾軸約束，在模型底部XY對(duì)稱面設(shè)置Z向的固定約束。荷載設(shè)置時(shí)，按照結(jié)構(gòu)擋水工況考慮，結(jié)合實(shí)際受力情況，考慮結(jié)構(gòu)的自重荷載，并且分別在3種不同跨徑比的迷宮堰上游側(cè)邊墻及底板表面均施加7.0 m的靜水壓力荷載，邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖3。

圖3 有限元三維模型圖

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.1 應(yīng)力對(duì)比分析

就迷宮堰的混凝土結(jié)構(gòu)而言，抗拉強(qiáng)度是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的主要參數(shù)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以得到不同跨徑比的迷宮堰擋水工況下的大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)云圖，見(jiàn)圖4、圖5。通過(guò)對(duì)比分析3種迷宮堰的大主應(yīng)力分布情況可知，3種迷宮堰大主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，最大值主要分布在直墻與底板接觸的左右側(cè)根部位置以及邊墻凸點(diǎn)頂部位置，直墻凹點(diǎn)及底板等部位應(yīng)力值相對(duì)較低，基本呈現(xiàn)不受拉的狀態(tài)。其中，跨徑比為4.3時(shí)，堰體大主應(yīng)力最大值為865.7 kPa，應(yīng)力值大于500 kPa的范圍占比約6.8%；跨徑比為3.5時(shí)，堰體大主應(yīng)力最大值為878.2 kPa，應(yīng)力值大于500 kPa的范圍占比約5.9%；跨徑比為3.0時(shí)，堰體大主應(yīng)力最大值為788.8 kPa，應(yīng)力值大于500 kPa的范圍占比約5.1%。由此可知，3種不同跨徑比迷宮堰在擋水工況下的拉應(yīng)力均小于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度極值，跨徑比越大，結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)范圍越小，堰體受力越均勻。

圖4 曲線形及折線形迷宮堰大主應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖5 100 kPa以上大主應(yīng)力范圍圖(單位：kPa)

3.2 位移對(duì)比分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以得到不同跨徑比迷宮堰擋水工況下的總位移云圖，見(jiàn)圖6。通過(guò)對(duì)比分析3種迷宮堰的總位移分布情況可知，3種迷宮堰位移分布規(guī)律基本一致，總位移最大值主要分布在直墻左右側(cè)頂部位置，直墻其他部位以及底板位移較小。其中，跨徑比為4.3時(shí)，堰體位移最大值為6.481e-4m，位移值大于5e-4m的范圍占比約32.3%；跨徑比為3.5時(shí)，堰體位移最大值為5.179e-4m，位移值大于5e-4m的范圍占比約25.8%；跨徑比為3.0時(shí)，堰體位移最大值為5.034e-4m，位移值大于5e-4m的范圍占比約12.9%。由此可知，3種跨徑比的堰體擋水工況下的結(jié)構(gòu)總位移總體偏小，跨徑比越小，翼緣范圍位移越小，但均在毫米級(jí)以內(nèi)。

圖6 曲線形及折線形迷宮堰總位移云圖(單位：m)

4 結(jié) 論

伴隨著城市水利景觀事業(yè)的發(fā)展，迷宮堰作為新型的低水頭擋水溢流結(jié)構(gòu)，因其具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)新穎、景觀效果好、無(wú)上部結(jié)構(gòu)等一系列的特點(diǎn)，在城市河道建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。本文以較高水頭的大跨度迷宮堰為研究對(duì)象，借助有限元計(jì)算，針對(duì)不同跨徑比的迷宮堰擋水情況下的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：①應(yīng)力方面。不同跨徑比情況下，大主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力最大值主要分布在堰體上游側(cè)直立邊墻與底板接觸區(qū)域，最小值主要分布在直立邊墻頂部區(qū)域，跨徑比越大，結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)范圍越大小，但均小于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度極值。②位移方面。不同跨徑比情況下，位移分布規(guī)律基本一致，位移最大值主要分布在堰體上游側(cè)直立邊墻頂部左右翼緣區(qū)域，最小值主要分布在直立邊墻根部區(qū)域，跨徑比越小，翼緣范圍位移越小，但均在毫米級(jí)以內(nèi)。