某“U”型薄壳渡槽结构对弹性模量变化的敏感性分析

查龙青，苏豪，陈海军 （安徽省路港工程有限责任公司，安徽 合肥 230022）

渡槽作为输水建筑物，在灌溉工程中起了非常重要的作用。“U”型薄壳渡槽能够高效节省材料和工期，但其耐久性一般，使用寿命较短，在实际运行过程中，发生了不少安全事故[1]。渡槽混凝土材料的弹性模量对渡槽结构应力和变形有一定的影响，选择合适的弹性模量，对渡槽整体结构稳定非常关键，但目前较少进行“U”型薄壳渡槽结构对弹性模量变化的敏感性分析。本文以某“U”型薄壳渡槽为例，选用8节点6面体等参单元模型对“U”型薄壳渡槽进行有限元建模分析，模拟具体工况下渡槽结构稳定对槽体、排架弹性模量变化的敏感性分析。本文的研究成果可为今后渡槽工程的结构稳定分析研究提供参考，并希望能够给予类似工程的除险加固处理等提供理论借鉴。

1 工程概况

某“U”型薄壳渡槽全长1092m，共计31 跨，其中：29 跨36m 长，1 跨32m长，1 跨16m 长。渡槽槽壁厚0.05m，净宽3.4m，净高3m，断面形式为钢丝网半圆形，槽身标准段为36m 跨双悬；排架断面尺寸0.35m×0.9m，最大高度28m；基础62 个，其中7 个因地质问题，采用沉井方法，其余均按条形基础设计施工。槽身和排架采用预制吊装施工。渡槽槽体的弹模为25GPa、泊松比为0.167、密度为2500kg/m3；沉井弹模为28GPa、泊松比为0.167、密度为2400kg/m3；其他混凝土结构弹模为25GPa、泊松比为0.167、密度为2400kg/m3。

2 渡槽有限元分析

2.1 计算模型

本次选用29 号渡槽作为研究对象。其槽身为双轴对称体系，过水断面半圆部分外半径1.75m，直墙部分高0.9m。槽身宽3.5m，槽身壁厚0.05m，高2.65m。纵向结构为双悬臂装配式。29号渡槽为低排架结构，并且两个排架的高度相差较大，其对应的排架号为57#和58#。57#排架的高度为16.4m，58#排架的高度为12.6m。

在渡槽的三维计算模型中，混凝土结构均采用8节点6面体等参单元，对渡槽进行有限元离散。29 号渡槽三维有限元整体网格如图1 所示，本次有限元分析选用整体式模型，即将单元当作连续均匀的材料处理，将混凝土与钢筋弥散其中形成一个整体，然后求得单元刚度矩阵[2～3]。荷载组合为自重+风压力+2m 水深，地面粗糙度为B 类，相关参数见规范[4]。

图1 29号渡槽有限元网格

定义X轴正轴为渡槽槽壳右侧，X轴负轴为渡槽槽壳左侧，所施加风荷载的方向为X 轴反方向，本次对槽体的研究选取了外槽壳的左侧。应力正负号规定：以拉应力为正、压应力为负。位移正负号规定：X 轴正向，面向水流流向，右手边为X 轴正向；Y 轴正向，沿高程向上的方向；Z轴正向，逆水流方向。

2.2 计算分析

计算结果见表1。渡槽槽体外壳面左侧第一主应力最大值发生在跨中底部，第三主应力最大值发生在下支座下游底部；57#排架第一主应力最大值发生在排架左侧3/4 高处，第三主应力最大值发生在排架左侧底部；58#排架第一主应力最大值发生在排架左侧2/3 高处，第三主应力最大值发生在排架左侧底部。

槽体与排架的应力、位移特征值表 表1

槽体X 方向、Y 方向、Z 方向位移最大 值 分 别 为 6.87mm、5.81mm、1.80mm，分别发生在上游悬臂端顶部、跨中底部和上支座下游底部。57#排架X 方向、Y 方向、Z 方向位移最大值分别为4.99mm、1.91mm、5.35mm，58#排架X 方向、Y 方向、Z 方向位移最大值分别为3.08mm、1.47mm、3.42mm，57#和58#排架位移特征值均发生在排架左侧顶部。

2.3 与现场检测对比分析

利用现场检测的跨中顶部挠度值和支座顶部挠度值与有限元计算结果进行对比：跨中顶部挠度值根据有限元计算结果为5.41mm，现场检测结果为8.50mm；支座顶部挠度值根据有限元分析结果为1.50mm，现场检测结果为1.20mm。根据挠度的对比结果分析，有限元计算结果与现场检测相差不大，说明有限元计算结果的可靠性，因此，对本工程利用有限元的模拟可以提供一定的参考。

3 对弹性模量的敏感性分析

为探讨渡槽槽体、排架逐渐降低混凝土弹模后对整体影响的变化规律，确定渡槽对槽体弹模敏感性分析的5 种方案为槽体弹模值的1.5 倍、1.25 倍、1 倍、0.5 倍和0.25 倍，渡槽对排架弹模敏感性分析的5 种方案为排架弹模值的1.5倍、1.25 倍、1 倍、0.5 倍和0.25 倍，分别分析主拉应力、主压应力、X 方向位移和Y方向位移极值的变化规律。

3.1 对槽体弹性模量的敏感性分析

随着槽体弹模的增大，槽体主拉应力极值有一定的变化，当槽体弹模变化倍数小于0.5 时，极值变化较大，槽体拉应力对槽体弹模很敏感；而主压应力极值有一定变化较小，槽体压应力对槽体弹模较敏感。在槽体弹模变化过程中，57#、58#排架的主拉应力极值基本保持稳定，排架主拉应力对槽体弹模不敏感；主压应力极值有一定变化，当槽体弹模变化倍数小于1 时，57#、58#排架主压应力对槽体弹模较敏感。

随着槽体弹模的逐渐增大，槽体X方向和Y 方向的位移均呈现下降的趋势，Y 方向的位移变化较大，X 方向位移变化较小，槽体X 方向位移对槽体弹模较敏感，Y 方向位移对槽体弹模很敏感。在槽体弹模变化过程中，57#、58#排架X方向和Y 方向位移均比较稳定，57#、58#排架X 方向和Y 方向位移对槽体弹模不敏感。

3.2 对排架弹性模量的敏感性分析

随着排架弹模的增大，槽体主拉应力极值变化较小，主压应力极值较为稳定，槽体主拉应力对排架弹模较敏感，主压应力对排架弹模不敏感。在排架弹性模量变化过程中，57#、58#排架主拉应力极值比较稳定，主压应力极值有一定变化，但变化值不大，排架主拉应力对排架弹模不敏感，排架主压应力对排架弹模较敏感。

随着排架弹模的增大，槽体、57#排架、58#排架X 方向、Y 方向位移极值变化均较大，槽体、排架X方向、Y方向位移对排架弹性均很敏感。

槽体弹模变化情况下各特征值变化表 表2

排架弹模变化情况下各特征值变化表 表3

4 结论

通过对“U”型薄壳渡槽的槽身及排架的应力、变形及对弹模的敏感性分析，主要得出以下结论：

①有限元计算结果与现场检测相差不大，说明有限元计算结果的可靠性，利用有限元进行模拟计算可以为实际工程提供一定的参考；

②当槽体弹模变化倍数小于0.5时，槽体主拉应力对槽体弹模很敏感；槽体主压应力对槽体弹模较敏感。57#、58#排架主拉应力对槽体弹模不敏感；当槽体弹模变化倍数小于1 时，57#、58#排架主压应力对槽体弹模较敏感；

③槽体X 方向位移对槽体弹模较敏感，Y 方向位移对槽体弹模很敏感，57#、58#排架X 方向和Y 方向位移对槽体弹模不敏感；

④槽体主拉应力对排架弹模较敏感，主压应力对排架弹模不敏感。排架主拉应力对排架弹模不敏感，排架主压应力对排架弹模较敏感；

⑤槽体、57#排架、58#排架X 方向、Y方向位移对排架弹性均很敏感。