刘集地涵洞身结构有限元计算分析

陈 蕾,曹邱林

(扬州大学水利科学与工程学院,江苏 扬州225009)

1 问题的提出

刘集地涵工程的主要结构设施由穿房亭河底的地下涵洞、泄洪口涵洞及南、中、北3座闸共30孔闸门,闸总长325 m,总宽95.8 m。地下涵洞共10孔,每孔宽 3.6 m,高4.0 m,长224m,分12节,底高程 13.5 m。刘集地涵的洞身结构为钢筋混凝土箱形结构,其优点为结构承载力较高。

传统的箱涵结构计算主要为内力计算及钢筋混凝土结构计算。内力计算包括各控制截面的弯矩、轴力及剪力的计算。常用的弯矩计算方法有查表法、弯矩分配法及迭代法等[1]。传统计算方法比较繁琐,本文采用有限元法对箱涵进行结构计算,能够简化繁琐的计算过程,很简便的得到内力计算成果,对工程进行结构复核[2]。

2 有限元基本理论方法

对结构进行有限元法分析时,首先进行结构离散化,即选择单元形态,将计算区域划分为有限个单元;然后进行单元分析,即构造单元位移函数,建立单元的等效结点荷载列阵、几何矩阵、弹性矩阵和单元刚度矩阵等;最后进行整体分析,由单元的等效结点荷载列阵集合成整体结点荷载列阵,单元刚度阵集合为整体刚度矩阵,引进边界约束条件,解总体刚度方程求出结点位移分量[3]。

由于三角形单元对复杂边界有较强的适应能力,因此一般将一个二维域离散成有限个三角形单元。典型的3结点三角形单元结点编码为i,j,m,以逆时针方向编码为正向,每个结点有2个位移分量,如图1所示。3结点三角形单元的自由度为6,位移模式为: