不同受力階段下預(yù)應(yīng)力渡槽有限元數(shù)值模擬分析

摘要：為系統(tǒng)分析渡槽受力行為，文章以某上跨高速公路、主跨為35 m的預(yù)應(yīng)力渡槽為研究對象，基于有限元軟件，分別考慮無水和滿水兩種受力階段，對渡槽承載能力、應(yīng)力和抗裂性等進(jìn)行計算分析。結(jié)果表明，所選取的渡槽結(jié)構(gòu)尺寸和鋼束配置滿足使用要求，滿水受力階段槽身橫向應(yīng)力水平較低。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力渡槽；有限元；受力階段；計算分析

中文分類號：U448.12+2A591973

0引言

渡槽是一種水利設(shè)施，用于輸送渠道水流跨越河渠、溪谷、洼地和道路等障礙物。在國內(nèi)，渡槽被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、水力發(fā)電等領(lǐng)域。近年來，我國水利工程得到了快速發(fā)展，渡槽作為其中的重要組成部分，也得到了廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)渡槽建設(shè)已形成了一定的規(guī)模和體系，主要采用砌石、混凝土及鋼筋混凝土等材料。在建設(shè)過程中，渡槽技術(shù)不斷升級，從傳統(tǒng)的土石結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)代化的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大大提高了渡槽的穩(wěn)定性和耐久性。

預(yù)應(yīng)力渡槽實現(xiàn)了鋼筋混凝土渡槽在跨徑上的實質(zhì)性跨越，截面形式多采用薄壁U型、矩形等。其中，薄壁U型梁式渡槽跨度通?！?0 m，矩形渡槽適用的跨度范圍更廣。王沛［1］對預(yù)應(yīng)力渡槽槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析；高德坤［2］基于模糊綜合評價法，對運營多年的渡槽服役狀態(tài)劣化情況進(jìn)行了計算評估；許新勇等［3］以南水北調(diào)工程某大型渡槽為分析對象，依托ABAQUS軟件，探討了強(qiáng)震作用下渡槽結(jié)構(gòu)地震動破壞機(jī)理；李濤［4］立足具體工程剖析了渡槽施工技術(shù)要點和質(zhì)量保證措施。關(guān)于渡槽結(jié)構(gòu)的研究文獻(xiàn)大多聚焦于施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計和運營期滿水狀態(tài)下安全性分析等，相對缺少對于渡槽典型受力工況的分析計算。基于此，本文借助ABAQUS軟件，考慮無水、滿水兩種受力階段，對上跨某高速公路大跨徑矩形梁式渡槽進(jìn)行計算分析，以期提高相關(guān)設(shè)計與管養(yǎng)人員對于渡槽受力情況的全面認(rèn)識。

1研究對象

國內(nèi)某區(qū)域為滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求，在縣域內(nèi)將輸水體系進(jìn)行互通互聯(lián)，在上跨高速公路主線處設(shè)置一處（25+35+35+25）m四跨預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆連續(xù)渡槽，渡槽截面為矩形形式，主跨選取35 m以滿足上跨高速公路需求，渡槽底至路基頂面凈空為5.8 m。為銜接兩側(cè)溝渠平面線形需要，渡槽邊跨取25 m以直代曲，與兩側(cè)溝渠順接，邊跨外懸臂長度均為3 m。預(yù)應(yīng)力渡槽總體布置圖如圖1所示，渡槽槽身截面如圖2所示。

渡槽所在地抗震等級為Ⅵ級，采用二級水工建筑物進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計使用壽命為50年。結(jié)合相關(guān)規(guī)范［5-6］，渡槽槽身斷面根據(jù)設(shè)計流量、水力坡降等經(jīng)水力計算后確定，本文取槽身總寬5.6 m、凈寬3 m、總高2.4 m、凈深2.2 m，腹板厚度為50 cm，底板厚度為30 cm，槽身采用等截面形式，腹板頂部翼板寬度為1.5 m，以便于設(shè)置護(hù)欄，槽頂順槽身方向每2 m設(shè)置一道混凝土拉桿，拉桿高度為10 cm、寬度為20 cm，拉桿內(nèi)設(shè)置鋼筋。0#和4#橋墩采用樁柱一體式橋墩，樁徑為1.6 m，1#～3#墩徑為1.4 m，樁徑為1.6 m，所有樁基根據(jù)地勘情況均按照嵌巖樁設(shè)計，嵌入中風(fēng)化巖層深度≥4倍樁徑。

2有限元模型

2.1材料參數(shù)

材料參數(shù)選取是有限元分析的基礎(chǔ)，槽身混凝土強(qiáng)度等級為C50，槽身腹板頂共布置4束s15.2-16直線型鋼絞線，為滿足彎矩變化需要，腹板中底部共布置6束s15.2-13曲線型鋼絞線，鋼絞線彈性模量為195 000 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1 860 MPa，錨下控制應(yīng)力為1 395 MPa，槽內(nèi)灌溉水容重為10 kN/m3，不計水與槽身之間的摩擦沖擊力作用。為提高渡槽運營全過程的安全性和耐久性，按照全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，混凝土和鋼絞線均考慮彈性受力階段。

2.2有限元模型

下穿高速公路在設(shè)計時，將該渡槽與沿線上跨人行天橋一并納入總體設(shè)計范疇，因此渡槽施工不影響下穿道路?；诖耍刹鄄凵聿捎脻M堂支架施工，混凝土采用分層澆筑施工技術(shù)，槽身澆筑完畢后安裝槽頂護(hù)欄，渡槽灌溉水荷載按照可變荷載進(jìn)行考慮?；贛idas Civil軟件，采用空間梁單元模擬渡槽。建模時考慮混凝土收縮徐變作用，四跨預(yù)應(yīng)力渡槽共計54個單元、55個節(jié)點。按照實際約束情況對渡槽進(jìn)行邊界條件模擬：3#墩墩頂支座按照固定鉸支座進(jìn)行模擬，其余墩墩頂按照活動鉸支座進(jìn)行模擬。

3計算結(jié)果分析

永久作用包括結(jié)構(gòu)自重和護(hù)欄荷載，可變作用包括水荷載、溫度梯度和截面梯度溫度。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362-2018）規(guī)范［7］，承載能力分析時取基本組合，即1.2×永久作用標(biāo)準(zhǔn)值+0.75×1.4×可變作用標(biāo)準(zhǔn)值；應(yīng)力分析時取標(biāo)準(zhǔn)組合，即永久作用標(biāo)準(zhǔn)值+可變作用標(biāo)準(zhǔn)值；抗裂性分析時取準(zhǔn)永久組合，即永久作用標(biāo)準(zhǔn)值+0.4×可變作用標(biāo)準(zhǔn)值。系統(tǒng)升降溫按照25 ℃進(jìn)行考慮，截面梯度溫度按照規(guī)范［7］進(jìn)行選取。

3.1無水受力階段

槽身混凝土利用滿堂支架澆筑完成后，安裝槽頂兩側(cè)護(hù)欄，此時渡槽處于無水受力階段。設(shè)γMu，max、γMu，min、Mn，max、Mn，min分別為彎矩最大組合值、最小組合值、最大抵抗值、最小抵抗值，計算得到無水階段抗彎承載能力驗算結(jié)果如圖3所示，其中單元計算結(jié)果均取i端位置，1號墩墩頂截面、2號墩墩頂截面和第二跨跨中截面對應(yīng)的單元編號分別為13、28和21。

根據(jù)抗彎承載能力計算結(jié)果，彎矩組合值均位于抵抗值包絡(luò)圖范圍內(nèi)，抗彎承載力滿足要求，彎矩最大組合值位于1號墩墩頂處，最大負(fù)彎矩組合值為39 621.2 kN·m，截面所提供的最大負(fù)彎矩抵抗值為53 299.4 kN·m，得到抗彎安全系數(shù)為1.3。此外，根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，截面最大壓應(yīng)力為14.6 MPa，小于規(guī)范容許值16.2 MPa，同時截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，抗裂性滿足要求。

3.2滿水受力階段

在渡槽運營過程中，當(dāng)輸水量達(dá)到設(shè)計水深1.5 m時，渡槽處于滿水狀態(tài)，灌溉水荷載按照45 kN/m考慮，計算得到滿水階段抗彎承載能力驗算結(jié)果如圖4所示。

與無水受力狀態(tài)相比，渡槽在滿水受力狀態(tài)下的彎矩抵抗值不發(fā)生改變，彎矩組合值沿槽身進(jìn)行了重分布，1#墩墩頂負(fù)彎矩由39 621.2 kN·m增加至47 475.2 kN·m，安全系數(shù)由1.3降低至1.1；2#墩墩頂負(fù)彎矩由32 276.1 kN·m增至41 097.6 kN·m，安全系數(shù)由1.7降低至1.3。然而在滿水狀態(tài)下，渡槽跨中截面抗彎安全系數(shù)大幅度增加，第二跨跨中截面由10 620.2 kN·m降至7 150.7 kN·m，安全系數(shù)2.5增加至3.7，表明了水荷載對跨中截面抗彎能力的影響較墩頂截面更為敏感。

此外，根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，滿水受力階段截面應(yīng)力數(shù)值變化不大，由原來的14.6 MPa降低至14.2 MPa，且均位于1#墩墩頂截面頂緣，這與該位置鋼束的布置密切相關(guān)，鋼束通過1#墩時，均布置在負(fù)彎矩方向，因此截面頂端存在較大的預(yù)壓應(yīng)力儲備。此外，截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿水狀態(tài)下，其抗裂性滿足要求。

3.3局部應(yīng)力分析

為進(jìn)一步研究滿水荷載作用下矩形截面周向變形情況，根據(jù)圣維南原理，當(dāng)邊界條件距離分析位置越遠(yuǎn)時，邊界條件的設(shè)置對計算結(jié)果的影響越小，基于ABAQUS軟件，取主跨跨中10 m節(jié)段為分析對象，考慮水荷載對槽身的側(cè)壓力作用，建立滿水狀態(tài)下的實體有限元模型，得到渡槽橫向應(yīng)力分布和跨中截面主拉應(yīng)力分別如圖5和圖6所示。

根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，在結(jié)構(gòu)恒載和水荷載共同作用下，槽身橫向應(yīng)力較小，橫向應(yīng)力最大值位于跨中截面拉桿與渡槽連接處拉桿頂部，最大值為1.16 MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.83 MPa，就渡槽槽身而言，橫向應(yīng)力均＜1 MPa。經(jīng)渡槽主拉應(yīng)力分析，最大主拉應(yīng)力同樣位于拉桿處，其數(shù)值為1.31 MPa，均小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，且拉桿截面配置了一定數(shù)量的鋼筋，因此渡槽局部應(yīng)力滿足使用要求。

4結(jié)語

本文以某上跨高速公路主跨35 m預(yù)應(yīng)力渡槽為研究對象，基于ABAQUS軟件，對渡槽在無水和滿水兩種不同受力階段下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了計算分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）兩種不同受力階段，抗彎承載能力、應(yīng)力和抗裂性均滿足要求，渡槽結(jié)構(gòu)尺寸選取和鋼束配置較為合理可行。

（2）相比于無水受力階段，滿水狀態(tài)下，跨中截面受力得到明顯改善，而支點截面受力更為不利，支點截面為兩階段受力控制截面，對于連續(xù)體系預(yù)應(yīng)力渡槽而言，應(yīng)重點關(guān)注支點截面抗彎承載能力。

（3）經(jīng)節(jié)段實體有限元分析，滿水狀態(tài)下槽身橫向應(yīng)力整體水平較低，最大主拉應(yīng)力位于拉桿處，建議加強(qiáng)大斷面渡槽拉桿設(shè)計與驗算分析。

參考文獻(xiàn)：

［1］王沛.預(yù)應(yīng)力U型薄殼渡槽槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 ［J］.陜西水利，2023，（2）：121-124，127.

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［5］GB 50288-2018，灌溉與排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］NB/T 11011-2022，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［7］JTG3362-2018，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

作者簡介：秦帥帥（1993—），工程師，主要從事高速公路工程建設(shè)管理工作。