大型倒虹結(jié)構(gòu)分析與試驗研究

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1引言

　　通過科研試驗提出大型倒虹合理的斷面型式，對數(shù)學模型計算結(jié)果和物理模型試驗結(jié)果進行對比分析，提出合理的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法。

　　2科研、試驗主要內(nèi)容

　　南水北調(diào)中線工程總干渠河渠倒虹設計流量大、流速小，為使南水北調(diào)倒虹吸的設計技術先進、安全且經(jīng)濟合理，本科研試驗以淇河渠倒虹為原型對大型倒虹進行了結(jié)構(gòu)分析研究和結(jié)構(gòu)試驗研究。

　　研究對象是南水北調(diào)中線145億m³調(diào)水方案的總干渠黃河北～漳河南渠段初設階段淇河渠道倒虹吸管身。管身為6孔，孔徑6m×6m，3孔一聯(lián)，橫向分為2聯(lián)，順水流方向每節(jié)管長15m.管身材料為300＃砼，彈性模量為3×104mPa，泊松比0.167.倒虹管身地基為粘土巖，彈性模量為30mPa，泊松比0.3，浮容重為10kN/m³，飽和容重為20kN/m³，土的內(nèi)摩擦角25°，管頂填土厚2.6m.

　　2.1結(jié)構(gòu)分析研究

　　2.1.1結(jié)合淇河倒虹初步設計進行斷面型式選擇

　　對倒虹吸4種結(jié)構(gòu)型式（箱型框架、正反拱、正拱和反拱）和五種工況（①河道有水、管內(nèi)無水；②河道無水、管內(nèi)有水；③河道無水、左管有水；④河道無水、中管有水；⑤河道無水、右管有水）用矩陣位移法和文克爾假定進行了計算，結(jié)果表明加腋的箱型框架斷面受力較優(yōu)越，而且易于施工，便于管理，且對各種附加荷載的敏感性較其它三種斷面型式低，并確定了最危險的工況，論證了結(jié)構(gòu)選型的合理性和可靠性。

　　2.1.2為了提高設計速度和質(zhì)量，編制了“智能化倒虹框架結(jié)構(gòu)分析專用程序”，該程序采用漢字顯示人機交互的方式，層次清晰、界面友好，具有直觀明了、操作簡單、輸入工作量小。

　　自動計算荷載、形成計算簡圖、計算速度快的特點，并能自動繪出設計所需要的內(nèi)力圖。

　　2.1.3研究了地基彈性、溫度變化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

　　2.1.4對選定的結(jié)構(gòu)斷面進行了二維有限元計算和二維非線性有限元計算，用三維有限元對一節(jié)15m長的箱形管身進行了分析計算，并將各種方法的計算成果進行了對比分析。二維非線性有限元方程組求解采用局部弧長法，利用荷載向量系數(shù)來控制結(jié)構(gòu)實際所承受的荷載。

　　2.2模型試驗研究

　　2.2.1光彈試驗

光彈試驗包括平面光彈試驗和三維光彈試驗，通過光彈模型試驗確
圖4－2倒虹結(jié)構(gòu)平面有限元網(wǎng)格劃分圖

　　定桿件結(jié)構(gòu)跨高比的合理范圍、確定不同地基對矩形框架的影響，并將試驗結(jié)果與二維、三維有限元計算結(jié)果進行分析比較。

　　平面光彈試驗在室溫下進行，模型比尺為1：125，倒虹結(jié)構(gòu)模型材料為環(huán)氧樹脂，模型地基材料為彈性橡膠；三維光彈試驗在凍結(jié)應力烘箱中進行，模型比尺1：100，倒虹結(jié)構(gòu)模型材料為120℃高溫下的環(huán)氧樹脂，模型地基材料為軟質(zhì)聚氨脂泡沫塑料。模型中倒虹結(jié)構(gòu)與地基的彈模比值基本保持與原結(jié)構(gòu)彈模比1000相同。

　　切片的等色線和等傾線的觀測在國產(chǎn)409-Ⅱ光彈儀上進行，非整數(shù)級條紋補償以旋轉(zhuǎn)分析鏡片為主，對某些難測點同時用石英補償器進行量測，對切片均采用正射法進行觀測。根據(jù)觀測結(jié)果和光彈正射法應力公式計算各部位應力。

　　2.2.2三維電測模型試驗

　　為更好地驗證光彈試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果，對河道有水、管內(nèi)無水工況進行整體模型電測試驗，試驗任務為確定結(jié)構(gòu)中心斷面的表面應力、求出相應的內(nèi)力值，并測定底板的地基反力。

　　電測試驗根據(jù)相似理論，按模型相似數(shù)據(jù)設計。模型比尺1：50，倒虹管身的模型材料選用有機玻璃，倒虹地基為粘土巖，模型地基選用聚氯乙烯泡沫塑料，模型中倒虹結(jié)構(gòu)與地基的彈模比值基本保持與原結(jié)構(gòu)彈模比1000相同。

　　在倒虹模型的中間斷面布置測點，測定其表面應力，進而計算其內(nèi)力。對每根頂梁、柱和底梁各選擇3個截面，每個截面的上邊沿和下邊沿各布置一個測點，共計60個測點。應變測試成果按平面應力狀態(tài)分析。

　　2.3物理模型試驗結(jié)果與數(shù)學

　　模型計算結(jié)果對比分析：物模試驗與數(shù)模計算結(jié)果對比分析表明，二維光彈試驗結(jié)果中跨中彎矩與二維有限元結(jié)果一致，而端部彎矩試驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學法計算結(jié)果比較接近；三維光彈試驗結(jié)果與三維有限元結(jié)果比較接近，但比三維有限元結(jié)果稍大；三維電測模型試驗結(jié)果與三維光彈試驗結(jié)果大致相同，其內(nèi)力值較三維有限元結(jié)果大，比二維有限元結(jié)果小，但遠小于結(jié)構(gòu)力學法計算結(jié)果。

　　3科研、試驗成果及結(jié)論

　　3.1我們對倒虹吸4種結(jié)構(gòu)型式和20種工況用矩陣位移法和文克爾地基進行了計算，計算結(jié)果表明，箱型結(jié)構(gòu)在加腋情況下較其他三種斷面型式的受力條件優(yōu)越，而且箱型結(jié)構(gòu)易于施工，便于運行管理，且對各種附加荷載的敏感性較其他斷面型式為低。因此，對于大型倒虹吸工程來說，以采用加腋的箱型斷面結(jié)構(gòu)為最佳；

　　3.2淇河倒虹的結(jié)構(gòu)設計是合理的，最危險工況為工況Ⅰ、工況Ⅱ與工況Ⅴ。最大垂直位移為18.07cm，最大不均勻沉降為1.88cm，滿足工程要求；最大向右側(cè)水平位移為1.4cm，因此，在兩聯(lián)框架之間采用縫寬4cm是可行的；

　　3.3由于倒虹結(jié)構(gòu)為地下建筑物，一般情況下不需考慮溫度變化的影響，但對大型倒虹結(jié)構(gòu)則應按—15℃降溫來計算施工工況產(chǎn)生的收縮力；

　　3.4地基反力采用直線分布假定，用結(jié)構(gòu)力學方法計算框架，可以反映倒虹結(jié)構(gòu)的基本受力狀態(tài)，其缺點是難以較全而地反映地基特性的影響。但是結(jié)構(gòu)力學方法比較成熟，易于掌握，而且實測和模型試驗結(jié)果也證明，對于較軟的地基，除在柱子底部地基反力有集中外，底板的反力基本是均勻分布的。因此，對于大型倒虹結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)力學方法仍不失為一種有效的計算方法。我們編制的“智能化倒虹框架結(jié)構(gòu)分析專用程序”具有直觀、輸入工作量小、計算速度快并能繪出設計所需的內(nèi)力圖等優(yōu)點，可以在箱型框架設計中推廣使用；

　　3.5對于箱型框架當構(gòu)件的跨高比小于5時，應當考慮角隅梁腋的影響，但可以不考慮剪切變形的影響，否則應考慮剪切變形的影響。當構(gòu)件的跨高比小于2時，則應按深梁計算構(gòu)件?？紤]角隅部分影響的計算的彎矩值，在構(gòu)件跨中較按均一等高截面計算的彎矩值小（可小5％）；而在構(gòu)件端部則較按等高截面計算的彎矩值大（可大20％左右）。為了簡化計算，建議采用“彎矩移動”值來計算考慮梁腋影響時的端部斷面彎矩；

　　3.6彈性地基對建筑物的內(nèi)力狀態(tài)有較大影響，對大型倒虹應考慮結(jié)構(gòu)和地基的相互影響，按彈性地上的閉合框架計算；

　　3.7對于高壓縮地基上的箱型框架結(jié)構(gòu)，由于它對地基不均勻沉降比較敏感，適應性較差，底板剛度的選擇應以宜剛不宜柔為宜，否則將使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的內(nèi)力，以致引起箱型框架的開裂。另外，當?shù)装鍎偠炔淮髸r，上部結(jié)構(gòu)的剛度的變化對底板內(nèi)力幾乎沒有明顯的影響，而上部結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)力卻增加很明顯，因此采用加大頂板厚度來減小底板內(nèi)力是不適宜的；

　　3.8當?shù)鼗^軟時，地基反力除箱型框架柱底部分有反力集中外，其他底板部分漸趨均勻，因此，對跨度較小的箱型框架采用地基反力按直線分布是合理的。隨著地基剛度增加，底板承受的反力愈來愈小，因此，對于較硬的地基，可以采用較薄的底板（滿足構(gòu)造和運用要求），認為反力全部作用在柱子底部是合理的；

　　3.9將計算成果與光彈、電測試驗成果分析比較證明，二維和三維有限元計算成果與光彈、電測試驗成果比較一致，因此，用有限元計算大型倒虹結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟合理和可靠的；

　　3.10在淇河倒虹計算中運用推導的三維接觸元公式進行了計算，計算結(jié)果與三維光彈和三維整體電測試驗結(jié)果比較一致，說明對于大型倒虹結(jié)構(gòu)，采用三維接觸元模擬地基與結(jié)構(gòu)接觸面的作用，是非常必要的，成果是可靠的。