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大型上承式桁架拱渡槽的模型试验及三维有限元分析

孟勇  
【摘要】:南水北调中线工程是一项跨流域、跨省市的大型调水工程,在水利建设和国民经 济发展中具有重要的战略地位。其总干渠穿越高山、跨过峡谷,沿线需要建立多座大 型渡槽,这些渡槽的跨度、流量、截面尺寸大多都超过当前世界上已建成的最大渡槽。 总干渠上根据沿途的地形和地质条件采用不同的渡槽结构型式,如:桁架拱式、拱式 和简支梁式等。如此大型的渡槽既要求有很高的安全度又没有经验可以借鉴,所以必 须对渡槽设计方案进行深入的研究,保证设计方案的合理性和结构的安全性。 本文结合南水北调中线工程漕河渡槽的上承式桁架拱设计方案,进行模型浇筑、 安装、加载和应变测试研究;同时运用通用商业有限元软件对结构进行分析,将有限 元分析结果与试验数据进行对比,证明了两种研究方法的可靠性和准确性,弥补了单 一研究方式的缺点和不足。 利用结构的对称性将模型简化,有效地降低了有限元分析的计算量。下部桁架拱 采用的无铰拱设计方案,虽然加大了结构的竖向刚度和稳定性,但是也导致结构对温 度变化和端部支墩的刚体位移反应敏感。通过计算分析,针对无铰拱的应力特点和优 缺点,提出在施工时采取临时铰的措施减少影响。通过对温升和温降时桁架拱应力的 分析,发现温升对下部的桁架拱整体应力是有利的,因此建议选择在温度相对偏低时 进行封拱。 分析中简化模拟了槽身和支座之间的接触方式,进一步减少了计算量,加快了分 析的进程。与正常的接触计算对比发现,只要在支座上没有竖向拉应力出现就可以保 证分析是准确的。另外,考虑到施工过程对桁架拱的应力的影响,用死活计算方式模 拟槽身的吊装顺序,分析后建议采用先中间后两端的顺序进行吊装。最后还就结构的 不足指出了相应处理措施和改进方法。 本研究表明,有限元计算方法已经很成熟,只要保证计算模型、加载和边界条件 正确,分析就可以得到准确的结果,从而减少研究经费和缩短研究周期;上承式桁架 拱渡槽可以适应大跨度的要求,为了保证结构的稳定性并减小温度和支墩位移的影响 应该充分运用施工技术降低影响,并在拱顶位置考虑采用分段浇筑和施加预应力的加 强措施。有限元分析基本得到了该类结构的应力分布规律和各种基本荷载的影响大 小,本文对同类型式的渡槽设计和施工具有一定的参考价值。


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