南水北调大型输水箱涵三维有限元结构分析

姜树立，张 亭，董延超

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春130021；2.南水北调中线干线工程建设管理局，北京100038）

1 概 况

南水北调中线一期工程天津干线保定市2段，位于河北省保定市境内，设计流量为50.0 m3/s，最大流量为60.0 m3/s。此段采用有压箱涵输水型式，具有距离长，流量大，孔径大，地质条件复杂的特点。输水线路采用整浇钢筋混凝土三孔输水箱涵,基础坐落于壤土、粘土及淤泥质粘土土层中。箱涵基础材料变形模量低，在不同的荷载作用下结构的应力、变形状态复杂，采用一般结构力学计算方法，很难准确反映结构内部应力、变形的实际分布规律。因此,采用大型有限元软件ANSYS，对其结构进行三维线弹性有限元计算分析。

2 有限元模型

计算采用ansys大型有限元结构分析软件，地基模型采用弹性连续介质地基模型，箱涵主体采用实体建模，按线弹性理论进行分析。

1）箱涵计算单元

箱涵采用一联3孔4.4 m×4.4 m现浇普通钢筋混凝土结构型式，箱涵底板厚为0.65 m、顶板厚为0.55 m，边墙度为0.55 m，中墙厚为0.45 m，加腋为0.4 m×0.4 m，混凝土垫层厚0.1 m。

为充分考虑地基土对箱涵受力性能影响，计算模型基础以箱涵中心向两侧各取27.5 m，向下取15 m；按箱涵分段要求取15 m长为一计算单元。考虑地基土体先期固结已完成，且为无质量地基。

2）计算模型

箱涵主体采用solid65混凝土单元模拟，地基土体采用solid45单元模拟。

3）边界条件

计算模型边界条件假定，地基土体垂直水流方向施加法向约束，底面施加三向约束。

4）材料参数

混凝土及地基土的材料参数均由现场试验所得,其结果见表1。

表1 材料物理力学参数

5）计算工况和荷载

输水箱涵结构受自重、土压力、内水压力、水锤压力、活荷载等主要荷载作用。结合工程的实际情况，综合考虑，确定箱涵的计算工况及荷载组合，见表2。

表2 计算工况及荷载组合

3 箱涵应力分析

通过不同工况计算，可得箱涵第一主应力σ1、第三主应力σ3的分布情况，箱涵应力分布情况见图1，2和表3。

从应力分布计算结果可见，箱涵第一主压力最大值达到4.02 MPa，第三主压力最大值达到4.78 MPa。箱涵无水时，箱涵结构的主拉应力比较小,当箱涵内过水时，主拉应力随过水量的增加而增大。完建时，箱涵最大主应力位于边墙上部；3孔满孔运行（正常运行和事故工况），箱涵最大主拉应力位于底板加腋处内侧，最大主压力位于中墙底部加腋处；两孔运行（中孔检修）时，箱涵最大主拉应力位于隔墙中部内侧，最大主压力位于隔墙底部加腋处外侧。箱涵应力分布情况符合箱涵结构受力的状态，主拉应力大于抗拉强度设计值，需配置适量抗拉钢筋来满足结构设计要求。

表3 箱涵最大主应力汇总

4 箱涵结构配筋比较

根据不同工况进行配筋计算，并与结构力学法计算的结构配筋进行对照比较，见表4。

表4 配筋结果对照

由表4可见，三维有限元法与结构力学计算方法得到配筋量比较接近，采用有限元计算时,考虑了结构整体相互作用，计算的边墙、隔墙及顶板处的配筋量，略小于结构力学方法的配筋量，但相差不大。另外，在加腋处因结构断面型式改变，应力分布比较集中，需配加强钢筋。

5 结语

1）南水北调中线一期天津干线大型输水箱涵的三维有限元计算模型，考虑了箱涵结构整体受力情况，充分反映箱涵结构应力分布规律，得到加腋处局部应力状况，为加腋处配筋提供依据。

2）通过结构力学法分析比较可知,三维有限元计算模型与地基反力为直线的结构力学计算模型的配筋基本吻合，有限元结构局部配筋量减小10%左右。箱涵断面的结构型式和配筋满足规范要求，箱涵结构内力计算，可采用地基反力为直线分布的结构力学计算模型计算。三维有限元模型计算，在设计结构形式、分析结构应力规律、合理配置筋量方面具有优越性，是比较合理的结构分析手段。

3）通过三维有限元计算分析，取得了比较满意结果，采用应力图形配筋可满足工程设计要求，已在南水北调工程天津干线的箱涵设计中得到了应用。

4）对于大型输水箱涵，实际工程应用中仍需多种计算方法、多种计算模型进行相互验证，才能保证结构安全。

［1］SL191-2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

［2］SL279-2002，水工隧洞设计规范［S］.

［3］黄福才，吴换营.ANSYS软件在现浇钢筋混凝土箱涵结构计算中的应用［J］.南水北调与水利科技，2009（6）.