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南水北调中线双洎河渡槽横杆受力分析

2010-12-08李涛峰李凤琴杨春景

黄河水利职业技术学院学报 2010年4期
关键词:横杆渡槽拉杆

李涛峰,李凤琴,杨春景

(黄河水利职业技术学院,河南 开封 475004)

0 引言

渡槽是跨越河流、道路、山冲、谷口等的架空输水建筑物,是水利工程中的重要立体交叉工程。 大流量钢筋混凝土梁式槽身多采用矩形断面。 对这种断面形式的渡槽,有通航要求时,槽身不设横杆,对于无通航要求的槽身,为了改善横向受力条件,常沿槽顶每隔1~2 m 设置一根横杆。 对于横杆的受力性能,目前还缺乏系统的分析研究。 在常规计算时,一般将拉杆均匀化,杆端按铰接考虑,简化为一次超静定结构进行内力计算[1]。 文献[2]采用有限元法,详细计算了不同高宽比(H/B)下无拉杆和不同拉杆间距简支梁式矩形渡槽槽身的应力,并根据计算应力,以最大主应力作为控制标准,分析了H/B 以及拉杆间距对槽身横截面应力的影响,提出了渡槽槽身应力与拉杆间距之间的关系[2]。 本文试在已有成果基础上,以南水北调中线工程中的双洎河渡槽为研究对象,通过建立有限元模型,对不同高宽比和不同槽内水深下的渡槽横杆的轴力进行计算分析,从而研究高宽比和水深对渡槽横杆受力的影响。

1 计算条件

1.1 渡槽的概况

南水北调中线工程中的双洎河渡槽位于河南省新郑市境内,为梁式结构,槽身段长630 m,单跨长30 m。 槽体为矩形截面双渡槽结构,总宽度为17.8 m。渡槽的设计流量为305 m3/s,加大流量为365m3/s。支撑结构为空心薄壁重力墩,最大墩高15 m,墩壁厚1 m。 槽墩上部宽度为19.3 m,下部宽度为22 m。基础采用两排共10 根直径为1.8 m 的灌注摩擦桩。

1.2 渡槽的材料参数

渡槽槽体混凝土的强度等级为C50,密度为2 450 kg/m3,泊松比为0.1667。

2 计算模型和工况

2.1 计算模型

选取一跨渡槽建立渡槽的力学模型。 考虑到对称性,取其1/4 建立有限元模型,进行分析。 槽底侧墙、中墙和底板、槽顶纵梁、槽底纵梁、侧墙竖肋、槽底横肋用实体单元进行模拟。 其有限元模型如图1所示。

图1 1/4 渡槽有限元模型图Fig.1 1/4 aqueduct FEM

2.2 坐标系选取

选取渡槽上游端中墙中线和底板中线的相交点为坐标原点,z 轴铅直向上,y 轴为水流方向,x 轴为渡槽横向,采用右手坐标系。

2.3 支座及边界条件

根据工程实际情况,用弹性支座模拟盆式橡胶支座。 在仿真计算时,用3 个单向弹性构件来模拟橡胶支座的力学行为。 在竖向,仅考虑支座弹性变形,在横向和竖向均考虑支座的应力刚化效应。 其弹性模量为5GPa,屈服应力为30MPa。 由于建立的是1/4 有限元模型,因此,渡槽中墙侧面和跨中断面采用对称边界条件。

2.4 工况计算

在渡槽结构有限元分析中,横杆的轴力有时是正值(拉力),有时是负值(压力)。 为了找出横杆(拉杆和撑杆)的受力规律,本次计算考虑了2 个因素:(1)不同高宽比的影响分析。 考虑了6 种不同的高宽比,即0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6。(2)不同水深的影响分析。 考虑了5 种不同的水深。

3 计算结果分析

3.1 计算结果

经过分析,得出渡槽在不同高宽比下横杆的轴力(如表1 所示)。 高宽比H/B=1.0 时,不同水深下横杆的轴力如表2 所示。

表1 不同高宽比渡槽的横杆轴向力Table 1 Axial force of aqueduct rail under different height-width ratios

表2 不同水深下渡槽横杆的轴向力Table 2 Axial force of aqueduct rail under different flux

3.2 结果分析

为直观分析上述数据, 将表格中数据绘制成曲线图,如图2 至图5 所示。

图2 渡槽横杆的轴力随高宽比的变化曲线Fig.2 Variational curve of axial force of aqueduct rail along with different height-width ratios

图3 高宽比一定时,渡槽不同横杆的轴力变化曲线Fig.3 Variational curve of different axial force of aqueduct rail along with fixed height-width ratios

由图2~图5 可以看出,在渡槽槽身的高宽比较小时,除端部的横杆(横杆1 和横杆2)是受拉(被称为拉杆)外,其他横杆受压(被称为撑杆)。 随着高宽比的增大,渡槽横杆的轴力由压力转变为拉力,并且高宽比越大,各横杆的拉力也越大。 随着水深的增加,渡槽横杆的轴力由压力转变为拉力,并且水深越大, 各横杆的拉力也越大。 在渡槽槽身的高宽比H/B=1 的条件下,当水深较小(Hw=0,Hw=2.5m)时,只有端部的横杆1 受拉,其余横杆受压。

4 结语

图4 渡槽横杆的轴力随水深的变化曲线(H/B=1.0)Fig.4 Variational curve of axial force of aqueduct rail along with different flux (Unit: H/B=1.0)

图5 渡槽水深一定时,不同横杆的轴力变化曲线Fig.5 Variational curve of different axial force of aqueduct rail along with fixed flux

对渡槽横杆受力分析的结果表明,在自重、水重作用下,渡槽上部横杆的受力有一定规律:(1)在渡槽槽身的高宽比较小时,多数横杆受压。 随着高宽比的增大,渡槽横杆的轴力由压力转变为拉力,并且高宽比越大,各横杆的拉力也越大。 (2)在渡槽槽身的高宽比H/B=1 的条件下,水深较小时,多数横杆受压。随着水深的增加,渡槽横杆的轴力由压力转变为拉力,并且水深越大,各横杆的拉力也越大。

[1] 赵文华,陈德亮. 渡槽[M].北 京:水利电力出版社,1989:11-12.

[2] 李俊宏,何淑媛. 拉杆间距对渡槽槽身应力的影响[J]. 水利水电科技进展,2005(1):34-36.

[3] 白新理, 刘东常. 南水北调工程建设重大关键技术研究与应用,大渡渡槽施工期和运营期、动态跟踪、温度荷载及动力分析[R]. 郑州:华北水利水电学院,2007:50-55.

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