大型倒虹结构分析与试验研究

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1引言

　　通过科研试验提出大型倒虹合理的断面型式，对数学模型计算结果和物理模型试验结果进行对比分析，提出合理的结构内力计算方法。

　　2科研、试验主要内容

　　南水北调中线工程总干渠河渠倒虹设计流量大、流速小，为使南水北调倒虹吸的设计技术先进、安全且经济合理，本科研试验以淇河渠倒虹为原型对大型倒虹进行了结构分析研究和结构试验研究。

　　研究对象是南水北调中线145亿m³调水方案的总干渠黄河北～漳河南渠段初设阶段淇河渠道倒虹吸管身。管身为6孔，孔径6m×6m，3孔一联，横向分为2联，顺水流方向每节管长15m.管身材料为300＃砼，弹性模量为3×104mPa，泊松比0.167.倒虹管身地基为粘土岩，弹性模量为30mPa，泊松比0.3，浮容重为10kN/m³，饱和容重为20kN/m³，土的内摩擦角25°，管顶填土厚2.6m.

　　2.1结构分析研究

　　2.1.1结合淇河倒虹初步设计进行断面型式选择

　　对倒虹吸4种结构型式（箱型框架、正反拱、正拱和反拱）和五种工况（①河道有水、管内无水；②河道无水、管内有水；③河道无水、左管有水；④河道无水、中管有水；⑤河道无水、右管有水）用矩阵位移法和文克尔假定进行了计算，结果表明加腋的箱型框架断面受力较优越，而且易于施工，便于管理，且对各种附加荷载的敏感性较其它三种断面型式低，并确定了最危险的工况，论证了结构选型的合理性和可靠性。

　　2.1.2为了提高设计速度和质量，编制了“智能化倒虹框架结构分析专用程序”，该程序采用汉字显示人机交互的方式，层次清晰、界面友好，具有直观明了、操作简单、输入工作量小。

　　自动计算荷载、形成计算简图、计算速度快的特点，并能自动绘出设计所需要的内力图。

　　2.1.3研究了地基弹性、温度变化对结构内力的影响。

　　2.1.4对选定的结构断面进行了二维有限元计算和二维非线性有限元计算，用三维有限元对一节15m长的箱形管身进行了分析计算，并将各种方法的计算成果进行了对比分析。二维非线性有限元方程组求解采用局部弧长法，利用荷载向量系数来控制结构实际所承受的荷载。

　　2.2模型试验研究

　　2.2.1光弹试验

光弹试验包括平面光弹试验和三维光弹试验，通过光弹模型试验确
图4－2倒虹结构平面有限元网格划分图

　　定杆件结构跨高比的合理范围、确定不同地基对矩形框架的影响，并将试验结果与二维、三维有限元计算结果进行分析比较。

　　平面光弹试验在室温下进行，模型比尺为1：125，倒虹结构模型材料为环氧树脂，模型地基材料为弹性橡胶；三维光弹试验在冻结应力烘箱中进行，模型比尺1：100，倒虹结构模型材料为120℃高温下的环氧树脂，模型地基材料为软质聚氨脂泡沫塑料。模型中倒虹结构与地基的弹模比值基本保持与原结构弹模比1000相同。

　　切片的等色线和等倾线的观测在国产409-Ⅱ光弹仪上进行，非整数级条纹补偿以旋转分析镜片为主，对某些难测点同时用石英补偿器进行量测，对切片均采用正射法进行观测。根据观测结果和光弹正射法应力公式计算各部位应力。

　　2.2.2三维电测模型试验

　　为更好地验证光弹试验结果与有限元计算结果，对河道有水、管内无水工况进行整体模型电测试验，试验任务为确定结构中心断面的表面应力、求出相应的内力值，并测定底板的地基反力。

　　电测试验根据相似理论，按模型相似数据设计。模型比尺1：50，倒虹管身的模型材料选用有机玻璃，倒虹地基为粘土岩，模型地基选用聚氯乙烯泡沫塑料，模型中倒虹结构与地基的弹模比值基本保持与原结构弹模比1000相同。

　　在倒虹模型的中间断面布置测点，测定其表面应力，进而计算其内力。对每根顶梁、柱和底梁各选择3个截面，每个截面的上边沿和下边沿各布置一个测点，共计60个测点。应变测试成果按平面应力状态分析。

　　2.3物理模型试验结果与数学

　　模型计算结果对比分析：物模试验与数模计算结果对比分析表明，二维光弹试验结果中跨中弯矩与二维有限元结果一致，而端部弯矩试验结果与结构力学法计算结果比较接近；三维光弹试验结果与三维有限元结果比较接近，但比三维有限元结果稍大；三维电测模型试验结果与三维光弹试验结果大致相同，其内力值较三维有限元结果大，比二维有限元结果小，但远小于结构力学法计算结果。

　　3科研、试验成果及结论

　　3.1我们对倒虹吸4种结构型式和20种工况用矩阵位移法和文克尔地基进行了计算，计算结果表明，箱型结构在加腋情况下较其他三种断面型式的受力条件优越，而且箱型结构易于施工，便于运行管理，且对各种附加荷载的敏感性较其他断面型式为低。因此，对于大型倒虹吸工程来说，以采用加腋的箱型断面结构为最佳；

　　3.2淇河倒虹的结构设计是合理的，最危险工况为工况Ⅰ、工况Ⅱ与工况Ⅴ。最大垂直位移为18.07cm，最大不均匀沉降为1.88cm，满足工程要求；最大向右侧水平位移为1.4cm，因此，在两联框架之间采用缝宽4cm是可行的；

　　3.3由于倒虹结构为地下建筑物，一般情况下不需考虑温度变化的影响，但对大型倒虹结构则应按—15℃降温来计算施工工况产生的收缩力；

　　3.4地基反力采用直线分布假定，用结构力学方法计算框架，可以反映倒虹结构的基本受力状态，其缺点是难以较全而地反映地基特性的影响。但是结构力学方法比较成熟，易于掌握，而且实测和模型试验结果也证明，对于较软的地基，除在柱子底部地基反力有集中外，底板的反力基本是均匀分布的。因此，对于大型倒虹结构，结构力学方法仍不失为一种有效的计算方法。我们编制的“智能化倒虹框架结构分析专用程序”具有直观、输入工作量小、计算速度快并能绘出设计所需的内力图等优点，可以在箱型框架设计中推广使用；

　　3.5对于箱型框架当构件的跨高比小于5时，应当考虑角隅梁腋的影响，但可以不考虑剪切变形的影响，否则应考虑剪切变形的影响。当构件的跨高比小于2时，则应按深梁计算构件。考虑角隅部分影响的计算的弯矩值，在构件跨中较按均一等高截面计算的弯矩值小（可小5％）；而在构件端部则较按等高截面计算的弯矩值大（可大20％左右）。为了简化计算，建议采用“弯矩移动”值来计算考虑梁腋影响时的端部断面弯矩；

　　3.6弹性地基对建筑物的内力状态有较大影响，对大型倒虹应考虑结构和地基的相互影响，按弹性地上的闭合框架计算；

　　3.7对于高压缩地基上的箱型框架结构，由于它对地基不均匀沉降比较敏感，适应性较差，底板刚度的选择应以宜刚不宜柔为宜，否则将使上部结构产生过大的内力，以致引起箱型框架的开裂。另外，当底板刚度不大时，上部结构的刚度的变化对底板内力几乎没有明显的影响，而上部结构本身的内力却增加很明显，因此采用加大顶板厚度来减小底板内力是不适宜的；

　　3.8当地基较软时，地基反力除箱型框架柱底部分有反力集中外，其他底板部分渐趋均匀，因此，对跨度较小的箱型框架采用地基反力按直线分布是合理的。随着地基刚度增加，底板承受的反力愈来愈小，因此，对于较硬的地基，可以采用较薄的底板（满足构造和运用要求），认为反力全部作用在柱子底部是合理的；

　　3.9将计算成果与光弹、电测试验成果分析比较证明，二维和三维有限元计算成果与光弹、电测试验成果比较一致，因此，用有限元计算大型倒虹结构是经济合理和可靠的；

　　3.10在淇河倒虹计算中运用推导的三维接触元公式进行了计算，计算结果与三维光弹和三维整体电测试验结果比较一致，说明对于大型倒虹结构，采用三维接触元模拟地基与结构接触面的作用，是非常必要的，成果是可靠的。