钢筋混凝土装配式渠槽有限元仿真分析

姚文博，马文亮

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

国家相关部门提出要大力发展装配式建筑，装配式渠槽的研究积极响应了国家的号召。并且国内迄今为止对装配式渠槽的研究甚少，所以对此结构的研究具有重要的意义。渡槽在正常运行期间会受到水荷载的作用，不同工况下会对渠槽结构的形态产生不同程度的影响。不利荷载作用下，可能导致渠槽结构发生变形、破坏。装配式渠槽的整体性和连续性普遍弱于现浇式，所以更容易出现变形问题。为了研究该装配式渠槽结构是否能正常运行、设计方案是否合理，本文采用ABAQUS 有限元仿真软件，建立渠槽的三维有限元模型，对渠槽进行仿真分析。

1 计算模型

1.1 工程概况

西霞院装配式渠槽是小浪底的配套工程，位于黄河流域，其经过武陟县、孟州市等多个市县。槽身段长180.0 m，采用钢筋混凝土矩形渠槽，设计流量为51.7 m3/s，底板厚度0.6 m，底板宽9 m，侧墙高度5.3 m，侧墙净高4.7 m。侧墙为预制构件，底板在现场浇筑。侧墙配双排钢筋，底板配上下双层钢筋，侧墙与底板均采用HRB400 钢筋。

1.2 材料参数

底板与侧墙均使用C25 的混凝土，弹性模量Ec=28 GPa，轴心抗压强度设计值fc=11.9 MPa，轴心抗拉强度设计值ft=1.27 MPa，泊松比vc=0.2。

1.3 有限元模型

槽身混凝土采用八结点线性六面体单元模拟，单元类型为C3D8R。底板内钢筋主要受压，所以采用T3D2 单元。底板内钢筋采用T3D2 的桁架单元模拟[2]。侧墙钢筋和插筋由于需要抗弯，所以采用线性梁单元B31。由于为装配式渠槽，所以底板与侧墙间设置为表面与表面接触的形式。接触面属性要考虑切向行为与法向行为[3-4]，并定义为可滑移的形式。侧墙与底板间接触面如图1 所示。

图1 接触面示意图

2 装配式渠槽仿真分析

2.1 应力与位移分析

以装配式钢筋混凝土矩形渠槽结构中的一小段为研究对象。分析其在无水、1/2 水位、设计水位下的应力及位移变化规律，结果为装配式渠槽提供参考。各种工况下混凝土承受第一主应力的仿真模拟结果如图2—4 所示。

图2 无水工况土第一主应力

图3 1/2 水位工况第一主应力

图4 设计水位工况第一主应力

无水、1/2 水位、设计水位工况下，槽身承受的拉应力逐渐升高，最大拉应力值分别为0.010 6 MPa、0.315 MPa、1.04 MPa，最大拉应力值要小于抗拉强度设计值。设计水位下的最大拉应力值出现在侧墙内侧底部。随着水位的不段升高，在侧墙内侧底部的拉应力集中现象越来越明显，可考虑采用局部加固的形式来削弱应力集中现象。压应力也随着水位的升高逐渐增大，无水工况、1/2 水位工况、设计水位工况下的最大压应力值分别为0.136 MPa、0.278 MPa、0.859 MPa。设计水位工况下的最大压应力在侧墙外侧下部。综上，水荷载对渠槽结构的应力影响较大，其中对拉应力的影响较压应力更加显著。

各种工况下的竖向位移与横向位移仿真模拟结果如图5—7 所示。

图5 无水位移图

图6 1/2 水位位移图

图7 设计水位位移图

无水、1/2 水位、设计水位工况下装配式渠槽的位移变化规律由上图可知。不同工况下，渠槽的横向位移云图的位移变化规律相似。随着水位升高，渠槽的横向位移逐渐增大，俩侧墙处于逐渐分开的趋势。无水工况下最大横向位移为0.028 6 mm，1/2 水位工况下最大横向位移为0.149 mm，设计水位工况下最大横向位移为0.716 mm，位移增加较为显著，设计水位工况下最大横向位移比无水工况下的增大了近25 倍。1/2水位工况下的最大竖向位移为0.014 5 mm，与无水工况下的相近，仅增加了0.002 8 mm。而设计水位下的最大竖向位移比1/2 水位工况下的增大了0.031 mm。随着水位的不断升高，竖向最大位移从侧墙内侧变化到侧墙外侧。综上可知，水荷载对渠槽的结构影响较大，在工程正常运行期间应加大对水位的安全监测力度。

为了分析装配式渠槽的应力分布规律，定义了特定路径[5]，如图8 所示。

图8 渠槽路径示意图

在该路径上，各工况下装配式渠槽的第一主应力变化曲线和位移变化曲线，如图9 和图10 所示。

图9 第一主应力变化曲线

图10 位移变化曲线

由图9 可知侧墙上部主要受压。设计水位及1/2水位工况时，侧墙下部出现了受拉区，而1/4 水位及无水工况下，侧墙下部依然受压。底板主要承受压应力，底板两侧边缘处受侧墙影响，承受拉应力。通过分析可知，设计水位工况下出现最大拉应力σmax=0.645 MPa，无水工况下出现最大压应力σmax=0.123 MPa。随水位升高，侧墙下部逐渐由受压区转变为受拉区。并在套筒附近出现了应力集中现象，可知套筒承受了较大的拉应力。由图10 可知各工况下位移的变化规律相似，侧墙发生变形，并且上侧的变形最大。设计水位下出现最大位移。

2.2 滑移分析

因为是装配式渠槽，所以必须要考虑侧墙与底板间是否会出现滑移的现象。侧墙底部的横向位移云图如图11—13 所示。

图11 无水工况下位移图

图12 1/2 水位工况下位移图

图13 设计水位工况下位移图

由于侧墙与底板间是采用半灌浆套筒的湿连接方式连接的，所以在侧墙与底板间接触面的模拟时考虑到了会产生相对滑移的问题[6-7]。采用了面-面“硬”接触的模拟方式，并根据规范施加相应的摩擦系数μ来模拟接触面间的约束。无水工况、1/2 水位工况、设计工况下的最大滑移分别为0.000 193 mm、0.001 69 mm、0.003 02 mm。由此可见侧墙与底板间的滑移可忽略，结构连续性与整体性符合要求[8]。

3 总结

设计水位工况下产生的变形是最大的，所以把此工况作为控制工况。水荷载对装配式渠槽的应力和位移的影响较大，设计水位的横向位移最大值为0.716 mm，而无水工况下的横向位移最大值为0.028 6 mm。为减小侧墙横向位移可适当增加墙厚或沿墙身方向加横肋。设计水位下的最大拉应力比无水工况下增大1.029 MPa。随水位升高，压应力值也显著增加。所有工况下的应力均符合规范要求。随水位升高在侧墙内侧底部出现了应力集中现象，可采用相应加固措施削减局部应力。装配式渠槽侧墙与底板间的滑移量很小，说明其结构具备整体性和连续性。该研究结果可为装配式渠槽的结构分析和正常运行提供参考。