[大型渡槽结构抗震反应应力分析] 渡槽结构
时间：2019-05-26 03:20:52 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘要 ：本文采用大型有限元分析软件ANSYS中的梁单元、板壳单元、弹簧单元、质子单元和实体单元对渡槽整体结构进行有限元离散，利用该模型分析南水北调中线工程泜河渡槽三槽无水、中槽过水、两边槽过水和三槽过水四种运行工况的振动特性和在天津宁河地震波激励下的时程反应结果，找出渡槽不同运行工况各关键部位的最大位移及其变化规律和应力薄弱部位，依此提出合理的工程措施，所得结论为实际的设计提供参考。
关键词：渡槽；抗震；流固耦合；动力模型
Abstract: this paper USES a large-scale finite element analysis software ANSYS, the beam element plate and shell element, spring unit, protons unit and entity unit in the whole structure finite element aqueduct discrete, using the model analysis of south-to-north water transfer project 泜 river aqueduct without water in three slots, water tank, both sides have three slot and water tank water four kinds of operation condition and the vibration characteristics in tianjin seismic excitation NingHe schedule of reaction result, and find out the different operating conditions the aqueduct of the key parts of the maximal displacement and stress and the changing laws of weak regions, according to the proposed the reasonable engineering measures, the conclusion to be actual provides reference for the design.
Keywords: aqueduct; Seismic; Fluid-solid coupling; Dynamic model
[中图分类号]：O357.3[文献标识码]：A[文章编号]
中图分类号：TU352.1+1文献标识码：A文章编号：
1.1工程概况
本文选取南水北调中线工程泜河渡槽初设阶段方案进行模态求解。泜河渡槽位于泜河上，槽身段全长270m，共分9跨，单跨长30m，槽身为三槽一联带拉杆预应力钢筋混凝土矩形槽，混凝土强度等级C50。槽身断面尺寸宽7.0m×高6.7m×3槽，槽身纵墙尺寸:中墙厚0.7m，边墙厚0.6m，底板为肋板结构，板厚0.4m，肋间距为2.5m，断面尺寸0.4m×0.6m。纵墙顶设间距为2.5m的拉杆，断面尺寸为0.3m×0.5m。纵墙顶部设翼缘板，边墙翼缘板宽2.7m，中墙翼缘板宽3.0m。槽身纵墙底板以下增设宽1.3m（边墙）和1.5m（中墙），高均为1.5m的纵向大梁。
渡槽下部支承结构型式为实体重力墩扩大基础，钢筋混凝土结构。基础底面尺寸7.5 m×28.6m，厚2.0m，墩高8.596 m～13.933m，厚3.5m，墩帽高2.5m，宽5.50m，长25.8m。
渡槽设计流量220m3/s，加大流量240m3/s。设计水深5.58m，加大水深5.98m。槽身横截面结构简图如图（1-1）所示：
图1-1 槽身横截面结构简图
1.2地震理论分析方法
本文选用天津宁河波作为为地震动输入，记录时长19.11s，时间间隔0.01s。在此地震波激励下进行渡槽在槽内无水、中槽过水、两边槽过水和三槽过水四种工况下的地震动力时程分析。
槽体横梁、槽体纵梁、顶梁和顶部拉杆采用BEAM189单元，中墙板、边墙板和底板采用SHELL63单元，盆式橡胶支座的X、Y方向采用COMBIN40单元，Z方向使用COMBIN14单元，槽墩采用SOLID45单元，槽内水体按HOUSNER理论，分别采用MASS21单元和COMBIN14单元模拟集中质量和弹簧。
图1-2有限元模型整体图
根据渡槽的实际运用要求，结合本次研究的目的，对以下四种工况分别进行模拟计算。
工况一：完建期，槽内无水；
工况二：中槽设计水深，两边槽无水；
工况三：两边槽设计水深，中槽无水；
工况四：三槽设计水深
通过对这四种工况模态结果的分析，得到槽内水体对结构自振特性的影响规律。
2渡槽地震反应应力分析
本文从应力反应分析渡槽结构的地震反应，以期为该类型渡槽实际设计提供参考。从表2-2渡槽关键部位单元应力最值表可以看出，最大应力发生在三槽过水工况的中墙跨中底部单元处，发生的时间为15.8秒，因此考察此刻渡槽结构其它构件的应力云图。本文做出了四种工况下的渡槽结构各构件（包括：槽身、槽墩、侧墙、底板、底部纵梁、底部横梁、顶部纵梁、拉杆）的最大主应力S1、最小主应力S3、X方向应力SX、Y方向应力SY、Z方向应力SZ和剪应力SXY的应力云图，以此分析结构各构件的应力特点。在此仅显示槽身应力云图。
图2-1 槽身应力云图
渡槽结构关键部位单元包括：边墙跨边底部单元S_BB，边墙跨中底部单元S_BZ、边槽跨中底板单元S_BD、中墙跨边底部单元S_ZB、中墙跨中底部单元S_ZZ以及中槽跨中底板单元S_ZD。各关键部位单元不同工况下的第一主应力、第三主应力、剪应力的最值以及它们所发生的时间如表2-2。表中单位应力为Pa，时间为秒。
由计算结果可见，侧墙最大主应力发生在工况二即中槽过水工况的中墙与底板的交界处，最大值为2.28MPa，以此可以看出，渡槽的侧墙与底板的交界处存在应力集中，工程中采用倒角的形式过渡是合理的。侧墙的横向应力为0，这是由于在建立渡槽有限元模型过程中，侧墙采用的shell63单元，单元特性显示，没有此方向应力。侧墙的纵向应力最大值为0.88MPa，竖向应力最大值为2.25MPa，均发生在工况一，侧墙与底板的交界处。侧墙的这几种应力都分布均匀，受力状态良好。
底板的最大主拉应力发生在工况一，底板与槽身交界处，其值为3.15MPa。最大压应力随着槽内水体荷载的增加而增加，最大值发生在工况四，槽体中部，为0.44KPa；纵向最大应力值发生在工况一，底板跨中边缘和底板与侧墙的交界处，其值为0.714MPa。横向最大应力值发生在工况一，底板跨中边缘和底板与侧墙的交界处，其值为3.13MPa。底板的竖向应力值为0。
底部纵梁和顶部纵梁最大主应力发生在工况一，其值分别为0.575 MPa，0.307 MPa，纵向最大应力也发生在工况一，其值分别为0.574 MPa，0.299 MPa横向和竖向应力均为0。
底部横梁、拉杆的应力值都是随着槽内水体的荷载增加而增加的，最大值发生在工况四，最大主应力值分别为：4.34 MPa，4.62 MPa；最大横向应力分别为：4.34 MPa，4.62 MPa。
3本文的主要研究工作和研究成果
(1)根据本文建立的大型渡槽动力分析模型，分四种工况计算南水北调中线工程泜河渡槽的动态特性。计算结果表明：考虑槽身与水体的流固耦合作用对渡槽整体结构的自振频率有较大的影响，因此在分析渡槽结构的动力特性时必须考虑槽身与水体的流固耦合作用；随着槽内水体质量的增大，结构整体质量增大，各阶自振频率依次递减；渡槽结构的振型前两阶分别为槽身横向和整体纵向，在地震作用下，这两个方向的刚度和强度将经受考验。在渡槽的设计过程中应提起重视，采用合理的技术手段来增加槽身横向和纵向的刚度，如在槽墩上设置挡块用来减小槽身横向位移等。
(2)利用本文建立的大型渡槽动力分析模型，采用一致地震输入的动力时程分析法，研究了南水北调中线工程泜河渡槽四种工况下在天津宁河地震波激励作用下的地震时程反应，从应力方面分析了地震对该渡槽结构的影响。计算结果表明：随着槽内水体质量的增加，渡槽结构地震反应横向位移逐渐增大；横向拉杆的设置，大大增强了结构的整体性，有效减小了侧墙的横向位移，结果显示中槽过水和两边槽过水两种工况的侧墙关键节点位移差均小于2mm；横向地震波作用下水体晃动幅度较小，使其流固耦合作用减小；渡槽关键部位单元应力变化规律基本相同，都是随着槽内水体质量的增加应力最值也在增加，最大应力发生在三槽过水工况的中墙跨中底部单元处。
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