0 引言

 

随着我国经济及农业的飞速发展，部分发达地区供水不足以及水资源分布不均衡的现象日益激化。为了解决这一矛盾，使我国社会经济能够平衡发展，综合国力得到显著提高，许多大型输水调水工程相继建设。在这些工程中，渡槽作为一种输送渠道水流跨越河渠、道路、山冲、谷口等架空输水建筑物被广泛应用。渡槽又称高架渠、输水桥，是一组由桥梁，隧道或沟渠构成的输水系统。通常架设于山谷、洼地、河流之上，用于通水、通行和通航。

有限元法也叫有限单元法( finite element method，FEM) ，是一种弹性力学问题的数值求解方法，是伴随着电子计算机的迅速发展而逐渐发展起来的。有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。目前，最流行的有限元分析软件来自ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC 4 个知名度比较高的公司。本文利用 ANSYS 软件对不同工况、不同结构尺寸渡槽进行结构内力分析并对方案进行对比分析。AN-SYS 软件是融结构、热、流体、电场、磁场、声场分析于一体，以有限元分析为基础的大型通用 CAE 软件，ANSYS 软件被广泛用于核工业、铁道、航空、机械制造、国防军工、土木工程、水利工程、生物医学、日用品、家电等工业的研究。该软件可在大多数计算机中操作运行，从PC 机到工作站再到巨型计算机，ANSYS 软件的兼容性较大。ANSYS 软件具有多物理场耦合功能，可以在同一模型上进行不同形式的耦合计算，如热 － 结构耦合、磁 － 结构耦合及电 － 磁 － 流体－ 热耦合等。其在 PC 机上生成的模型同样可以在巨型计算机上运行，实现了 ANSYS 对多领域的多变工程问题求解。

本文以某矩形多纵梁渡槽结构为实例，应用 AN-SYS 三维有限元软件，对不同工况、不同结构尺寸渡槽进行结构内力分析并对方案进行对比分析。

 

1 工程概况

 

本文选用的算例是黑龙江省某大型灌区一座矩形多纵梁输水渡槽，设计流量为24．51m3/ s，控制灌溉面积1．86 万 hm2。由于该地区没有较大河流和水源控制性工程，水资源相对比较匮乏，天然径流不均匀，水资源利用率低，农业用水矛盾突出，遇干旱年份，造成农田大面积减产，无法保证农业生产的优质、稳产、高效、高产。但该地区又有很多优势条件，土地肥沃，气候适宜，适合发展农田灌溉，同时靠近松花江，利用松花江水灌溉具有得天独厚的优势。因此，急需修建渠首泵站及输水渡槽来解决该地区水资源优化配置问题。

该渡槽采用拉杆加肋矩形多纵梁槽身形式，单节跨度为 15m，共计 260 节，底坡比降为 1/1 500，全长3 900m。渡槽底板净宽 4． 5m，槽身总高 3． 4m，底板厚0． 3m，在槽底设 4 根纵梁，纵梁高 0． 7m; 槽身侧墙底宽0．4m，与底板衔接处设 0． 3m ×0． 3m 倒角; 侧肋底宽0．3m，肋壁厚0．4m，肋间距3．0m; 两端侧墙由拉杆连接，拉杆长度3．7m，横断面为 0．3m ×0．3m，拉杆间距3．0m。渡槽结构布置图如图1、图2 所示。

 

2 ANSYS 模型

 

本文利用 ANSYS 有限元软件建立渡槽三维有限元数值模型( 见图 3) ，混凝土实体采用了能够计算拉裂和压碎的 Solid65 单元。混凝土材料弹性模量 E =30 000MPa，泊松比 υ = 0． 2，单轴抗压强度 fc= 30MPa，单轴抗拉强度 fc= 3． 0MPa，裂缝张开传递系数 0． 5，裂缝闭合传递系数 0． 9，关闭压碎开关。钢筋为双线性隧洞硬化材料，弹性模量 E =210 000MPa，泊松比 υ =0． 27，屈服应力 б = 310MPa，硬化系数为 2 000。采用整体式钢筋混凝土模型，其中 X、Y、Z 轴( 横轴、竖轴、纵轴) 钢筋体积率分别为0．05、0．1 及0．1。

 

3 静力分析

 

本文针对渡槽结构进行设计水位工况及校核水位工况分析，设计水位下渡槽的荷载组合为自重 + 风荷载 +人群荷载 +设计水荷载的组合; 校核水位下渡槽的荷载组合为自重 + 校核水荷载的组合。各工况下渡槽应力及位移如表1 所示。

参见表1，在设计水位和校核水位工况下内力分布规律相似。从纵向应力来看，渡槽纵梁下表面混凝土处于纵向受拉状态、侧墙上表面混凝土除两端局部区域外都处于纵向受压状态。底板跨中上、下表面混凝土纵向应力伴随着横梁的布置出现震荡形式，有效地降低了底板应力峰值，使得应力分布较为均匀且都处于允许范围内。

从横向应力来看，校核水位工况下底板上表面横向压应力较大，最大值压应力值为 －3． 73MPa，设计水位工况下底板下表面横向拉应力较大，最大值拉应力值为2．80MPa，可以采取适当的结构尺寸降低底板的横向应力。

从竖向应力来看，整体渡槽只有在侧墙内侧产生较大拉应力，最大拉应力值为校核水位工况下2．72MPa。

从竖向位移来看，最大位移值主要出现在渡槽中间部位，向四周逐渐减小，最大竖向位移值为校核水位工况下中间横梁2．0mm。

综上所述，该矩形多纵梁渡槽设计方案满足各项应力及位移指标，符合设计要求。

 

4 优化设计

 

渡槽优化设计是多种技术、经济因素妥协和平衡的结果，为获得合理的优化设计方案，对渡槽的受力规律必须予以深入的研究和分析。为此，以上一节对设计方案的分析为基础，通过改变侧墙厚度、纵梁高度、底板厚度3 个参数进行结构优化设计。鉴于设计水位工况与校核水位工况内力分布规律相似，在优化设计阶段采用设计水位工况进行分析。

 

4． 1 改变侧墙厚度

原方案: 纵梁高度 0． 7m，侧墙顶宽 0． 3m，侧墙底宽0．4m，底板厚0．3m。

方案1: 纵梁高度 0． 7m，侧墙顶宽 0． 2m，侧墙底宽0．3m，底板厚0．3m。

方案2: 纵梁高度 0． 7m，侧墙顶宽 0． 4m，侧墙底宽0．5m，底板厚0．3m。

各方案应力及位移如图4 ～图7 及表2 所示。

1) 纵向应力分析。在设计水位工况下，随着侧墙厚度的增加，纵梁下表面混凝土所受的拉应力有所减小，原因是侧墙变厚其抗弯能力增大，从而降低了下表面拉应力，但这种影响不是很明显; 渡槽底板跨中上表面混凝土所受纵向压应力有所减小，跨中下表面混凝土所受纵向拉应力先增大后减小。

2) 横向应力分析。随着侧墙厚度的增加，渡槽底板上表面混凝土所受横向压应力明显减小，下表面混凝土所受横向拉应力先增加后减小。原因是侧墙变厚了其自重也随之增加，使之传递给底板两端的端弯矩和轴向拉力增加，从而抵抗了一部分水压力对底板的作用，减小了底板混凝土横向应力。方案 1 侧墙厚度过小，使得底板上表面横向应力不满足设计要求。

3) 竖向应力分析。随着侧墙厚度的增加，渡槽侧墙迎水面混凝土竖向应力明显减小。主要原因是侧墙变厚使得侧墙整体受力面积增加，进而减小了竖向应力。

4) 竖向位移分析。随着侧墙厚度的增加，总体来看随着纵梁高度的增加，渡槽纵梁及横梁竖向位移都有所减小。这主要是由于伴随侧墙厚度的增加，渡槽的整体刚度提高，使得渡槽整体上移产生的。

 

4． 2 改变纵梁高度

原方案: 纵梁高度 0． 7m，侧墙顶宽 0． 3m，侧墙底宽0．4m，底板厚0．3m。

方案1: 纵梁高度 0．6m，侧墙顶宽 0． 3m，侧墙底宽0．4m，底板厚0．3m。

方案2: 纵梁高度 0． 8m，侧墙顶宽 0． 3m，侧墙底宽0．4m，底板厚0．3m。

各方案应力及位移如表3 所示。

1) 纵向应力分析。在设计水位工况下，随着纵梁高度的增加，纵梁下表面混凝土所受的拉应力稍有增加，原因是纵梁高度增加相当于增加了渡槽槽身的质量，从而使主要承担纵向受力的纵梁下表面应力增加。

2) 横向应力分析。随着纵梁高度的增加，渡槽底板上表面混凝土所受横向压应力有所减小，但影响非常小; 下表面混凝土所受横向拉应力有所增加。

3) 竖向应力分析。随着纵梁高度的增加，渡槽侧墙迎水面混凝土竖向应力最大值先减小后增大，但在相同位置竖向应力还是略有减小。原因是纵梁高度增加相当于增加了竖向力受力面积，从而减小竖向应力。

4) 竖向位移分析。随着纵梁高度的增加，渡槽纵梁及横梁竖向位移都有所减小。这主要是由于伴随纵梁高度的增加，渡槽的整体刚度提高，使得渡槽整体“上移”产生的。

 

4． 3 改变底板厚度

原方案: 纵梁高度 0． 7m，侧墙顶宽 0． 3m，侧墙底宽0．4m，底板厚0．3m。

方案1: 纵梁高度 0． 7m，侧墙顶宽 0． 3m，侧墙底宽0．4m，底板厚0．4m。

方案2: 纵梁高度 0． 7m，侧墙顶宽 0． 3m，侧墙底宽0．4m，底板厚0．5m。

各方案应力及位移如表4 所示。

1) 纵向应力分析。在设计水位工况，随着底板厚度的增加，纵梁下表面混凝土所受的拉应力有所减小。原因是底板变厚使其抗弯能力提高，进而纵梁的抗弯能力也随之提高，使其拉应力减小，但是这种影响不明显; 渡槽底板上表面混凝土所受纵向压应力有所减小，下表面混凝土所受纵向拉应力有所减小。

2) 横向应力分析。随着底板厚度的增加，渡槽底板上表面混凝土所受横向压应力及下表面混凝土所受横向拉应力均明显减小。原因是底板变厚使得底板承受横向拉力的受力面积增加，进而减小了上下表面的应力值。

3) 竖向应力分析。随着底板厚度的增加，渡槽侧墙迎水面混凝土竖向应力均明显减小。

4) 竖向位移分析。随着底板厚度的增加，渡槽纵梁及横梁竖向位移都有所减小。这主要是由于伴随底板厚度的增加，渡槽的整体刚度提高，使得渡槽整体“上移”产生的。

 

5 结论

1) 渡槽侧墙厚度过小会使底板上表面混凝土横向应力超出设计允许范围，进而产生结构破坏; 增加其厚度会提高渡槽整体刚度，进而减小渡槽底板横向应力及侧墙竖向应力。

2) 在满足渡槽底板上表面横向最大拉应力及横梁下表面最大位移的基础上，可适当减小渡槽纵梁高度，以减轻槽身质量，节省工程量，减少工程投资。

3) 底板厚度的增加会使渡槽的应力降低，位移减小; 但从经济因素考虑，应当选取适当的底板厚度。综上，对该矩形多纵梁渡槽结构分析与优化设计后，笔者认为原有设计方案安全可行，完全满足设计要求; 在合理的范围内，可适当减小原方案中纵梁的高度来节省工程量，但从设计安全和施工可行的角度，侧墙和底板的厚度不应减小。该项目的建设将提升地区水土资源的有效利用，充分利用丰富的松花江水，大幅度增加农田的灌溉面积，提高灌溉保证率、增加粮食产量。

参考文献（略）