预应力河渡槽槽身的有限元建模和静力分析

摘要：结合南水北调中线工程的重要建筑物――河渡槽，考虑其预应力筋的位置和数量，运用大型通用有限元软件ANSYS对其进行了三维有限元建模，并进行了结构静力分析，得到了施工、运行和检修工况下的计算结果，并同没有考虑预应力筋的同精度、同荷载和相同约束条件的模型进行了比较，依此证明所采用的渡槽结构型式及尺寸、预应力筋的布置方案是合理的。

关键词：渡槽；预应力；建模；有限元；静力分析；ANSYS

1 工程概况

河渡槽位于河北永年县的河上，是南水北调中线工程一座大型的交叉建筑物。通过设计流量230m3/s，加大流量250m3/s，属于Ⅰ级建筑物。槽身段由槽身、支承墩、基础组成。槽身纵向为17跨简支梁结构，单跨长40m。槽身为预应力钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C50。槽身横向断面为三槽一联矩形槽，净宽3×7m，总宽25.3m。槽身纵坡1/3900，槽内设计水深5.662m，加大水深6.03m，槽身侧墙高8.3m，中墙厚0.7m，边墙厚0.6m，墙顶设翼缘板和拉杆，中墙板宽3.0m，边墙板宽2.7m。墙顶设拉杆，断面为0.5m×0.3m，间距2.5m。渡槽底板厚0.4m，底板下设横梁，断面为0.6m×0.4m，间距2.5m。为布置纵向预应力钢筋，槽身中墙和边墙底部加高形成宽1.5m和1.3m，高1.5m的底部大梁，底部大梁在端部支座部位局部加高至2.3m。

2 结构预应力筋布置

渡槽为纵、横、竖三向预应力体系。纵、横向预应力体系采用高强度低松弛钢绞线，预应力孔道采用塑料波纹管制孔。边墙、中墙纵向束为7- 15.2钢绞线，群锚锚固体系，底板纵向为5- 15.2钢绞线，扁锚锚固体系，横向均采用7- 15.2钢绞线，群锚锚固体系。竖向预应力体系采用 32精轧螺纹钢筋，采用铁皮管制孔，JLM锚固体系。

3 预应力渡槽槽身的ANSYS建模

ANSYS是国际上著名的较为常用的大型通用有限元软件之一，具有功能强大，应用广泛的特点。ANSYS主要由前处理模块、计算模块、后处理模块三个部分组成[2]。

3.1 ANSYS对预应力及其建模的处理方法[3]

预应力混凝土结构的结构分析中需要考虑混凝土和预应力筋两种单元及其之间的相互作用，ANSYS对此问题的处理方法主要有分离式方法与整体式方法两种。

整体式方法又包括体分割法和独立建模耦合法[4]

独立建模耦合法的基本思想是实体和力筋独立建几何模型，分别划分单元，然后采用耦合方程将力筋单元和实体单元联系起来，这种方法是基于有限元模型的处理。

本文工程实例渡槽的预应力筋布置数量较多，渡槽的纵向（顺水向）、横向都有曲线预应力钢绞线，因此建立模型时就采用独立建模耦合法。

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 所用单元

混凝土用ANSYS中的三维实体Solid45单元模拟，预应力筋用Link8单元模拟。

3.2.2模型的建立

渡槽槽身竖向支撑形式为简支梁式，在只考虑水荷载的情况下，结构以及荷载都具有对称性，可以取单跨渡槽槽身的1/4建立模型，混凝土全部采用三维实体单元Solid45，预应力钢筋采用三维杆单元Link8。整个模型划分为158993个Solid45单元，12441个Link8单元。渡槽横向为X方向，竖向为Y方向，纵向（渡槽水流方向）为Z方向。

3.2.3边界条件和荷载

预应力的施加在建模过程中完成，通过对杆单元施加对应实际张拉应力的初应变来实现，初始应变值等于初始张拉应力除以预应力钢筋的弹性模量。渡槽的内壁施加随水深变化的三角形荷载，底板施加均布荷载，整个模型施加重力荷载。在对称面上施加相应的对称约束，支座部分约束竖向位移。

3.2.4 计算工况

考虑以下几种工况为控制工况来进行结构的静力计算。

①施工工况，三槽均为空槽。

②运行工况，三槽内均为加大水位6.03米。

③检修工况一，中槽过水，槽中水深3米。

④检修工况二，两边槽过水，槽中设计水深5.662米。

为了与考虑预应力筋的受力分析结果进行比较，本文同时进行了没有考虑预应力筋的渡槽模型在上述荷载工况下的静力计算，两种模型在尺寸、材料参数、网格划分精度及约束条件上均相同。

4 计算结果及分析

4.1 位移变形分析

两种模型均有随槽内水位的增加位移逐渐增大的趋势，而且相比较未考虑预应力筋的模型而言施加预应力的河渡槽槽身最大竖向位移有了大幅度的降低，因此由于预应力筋的存在很好的限制了渡槽槽身的竖向位移。

4.2 应力分析

4.2.1 典型断面

4.2.2 X向应力分布

计算结果显示，在检修工况二的作用下，模型二的跨中断面的应力分布比模型一更加合理一些，除了个别由于预应力筋的锚固而产生局部拉应力外，全截面受压，压应力在3MPa以内。其他荷载工况情况下，渡槽槽身的跨中断面的应力分布也有上述类似的特点，本文不再赘述。

5 结论及建议

（1）采用横纵竖三向施加预应力筋，保证了渡槽在使用和施工阶段具有良好的工作性能，应力和变形大小均满足规范对裂缝控制和刚度的限制要求。

（2）在施工、运行和检修工况下，渡槽结构断面及横向、纵向、竖向预应力钢绞线布置，均满足全截面受压要求。

（3）顶板、底板钢绞线两端锚固处，产生应力集中现象，该部位应力计算结果失真，小区域内拉压应力变化剧烈，施工过程中可以通过设置钢垫板等措施加以避免。

（4）由于作者水平有限本文对于支座处的模拟进行了简化处理，这一问题仍需要进一步研究。

参考文献：

[1]赵瑜，赵平，李树瑶.大型预应力混凝土箱形渡槽结构三维有限元分析[J].长江科学院院报，1999，16（2）：17～20.

[2]博嘉科技. 有限元分析软件―ANSYS融会与贯通[M]. 中国水利水电出版社，2002.

[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].中国水利水电出版社，2005.

[4]罗业辉.大型预应力混凝土渡槽槽身有限元分析的研究及应用[D].南京：河海大学，2005.

作者简介：

赵五岳（1981.7―），男，河北石家庄市人，工程师，在河北省第四建筑工程有限公司工作，主要从事工程技术方面的研究。