南水北调中线沙河渡槽施工期三维有限元分析

卢军燕 李 慧

（河南理工大学万方科技学院，河南 郑州450014）

南水北调中线沙河渡槽全长7 590m，它由4部分组成，分别是沙河板梁式渡槽、第一段旱渡槽、大郎河板梁式渡槽和第二段旱渡槽。其中，板梁式渡槽为双线四槽，即并列双墩或双承台，旱渡槽为箱基双渡槽输水［1］。沙河梁式渡槽长1 500m，跨大郎河梁式渡槽长300m，箱基旱渡槽长5 605m，鲁山坡流槽长1 410m。下面将对南水北调中线工程的沙河渡槽在施工期进行有限元分析。

1 渡槽结构模型

1.1 基本计算参数

矩形渡槽槽身，设计水深6.38m。满槽水深7.3m，每一段槽身长45m。每跨均匀布置15根横截面为0.3×0.3m的拉杆，对应的底部布置底肋，底肋的高度距下底板1.0m。从距端部3m的断面处开始线形加厚，渐变加厚长度为2m，到距端部1m的断面处加厚至2倍壁厚，但加厚不能超过0.8m（端部支座或端肋沿水流向的长度为1m）。材料参数如表1。

1.2 模型的单元选取

沙河渡槽的槽身用三维等参块体单元模拟［2］，预应力钢筋、拉杆和支座都用杆单元模拟，锚具垫板用壳单元模拟。模型完成后，就可以对沙河渡槽施工期进行受力分析了。

1.3 预应力钢筋模拟

用弹性杆单元来模拟渡槽纵向、横向及竖向的预应力钢绞线，预应力用初始应变法来施加，也就是说对弹性杆单元施加初始压应变。这种弹性杆单元是杆轴方向的拉压单元，属于三维杆单元，每个结点具有3个自由度。不仅如此，该单元还具有塑性、蠕变、膨胀、应力硬化、大变形、大应变等功能[3]。在计算模型中，模拟预应力钢绞线的杆单元与模拟槽身混凝土的块单元共用结点，以保证单元结点位移协调。

表1 渡槽配筋及形式

1.4 计算工况及控制点

分析选取各工况L/2跨，L/4跨处控制点三向位移为分析对象，对相应控制点在不同工况下进行了比较分析。其中对工况又做了细分，如下：

工况1：自重

工况2：自重+0.1×纵向预应力

工况3：自重+1×纵向预应力+1×环向预应力

工况4：自重+1×纵向预应力+1×环向预应力+设计水深+风载

控制点选取如图1所示：左侧槽体

图1 控制点位置

2 计算结果分析

各工况L/2跨，L/4跨处控制点A、B、C、D、E处的应力值的变化情况如表2所示。由表可知，1/2跨和1/4跨截面，各控制点应力变化趋势相似。A、B、C、D各控制点应力变化平缓，随着预应力的施加压应力不断增大，符合分析形势；各控制点应力值在各个工况中均在安全范围内，拉压应力都较小，满足规范要求；最大压应力-17.979 MPa，小于C50混凝土抗压强度。控制点E在工况4之前的几种工况下变化平缓，随着预应力的施加压应力不断增大，最大仅为-7.07MPa，远小于混凝土抗压能力。在工况4中由于水压力作用，控制点E压应力减小，但仍受压应力作用，因此该渡槽还有一定的过水能力，可以加大水深，以更大发挥其作用。

表2 1/2跨各控制点应力值（MPa）

表3 1/4跨各控制点应力值（MPa）

3 结语

由此可见，沙河渡槽采用预应力矩形槽方案是合理的，符合工程要求。在渡槽施工期的各种工况下，渡槽内表面基本上都为压应力，结构安全可靠［4］。但仍存在问题：①预应力钢筋的模拟方法很多，应采取不同方法对比分析结果；②施工期安全并不意味着渡槽永久安全，实际运行过程中渡槽受力情况更加复杂，许多因素难以预测，因此渡槽只进行施工期计算不能满足其需要，还应该对渡槽进行追踪动态分析。

［1］陈德亮.水工建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［2］竺慧珠，陈德亮，管枫年.渡槽［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［3］张建华，杨志超.沙河预应力矩形渡槽施工运行过程受力分析［J］.华北水利水电学院学报，2008，29（3）：21-24.

［4］白新理，聂金荣，郭瑞卿，等.大型矩形渡槽全程动态跟踪分析［J］.水利与建筑工程学报，2008，6（1）：42-44.