基于ANSYS仿真計算的渡槽結構靜動力特征分析研究

李 密，呂 鋒，曾祥磊，田均兵

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002)

1 概 述

水工建筑安全穩定性不僅與靜力荷載有關[1]，同樣地震動力工況下結構應力、位移響應值亦較為關鍵[2]，因而系統性探討水工結構靜動力特征對提高水工設計水平具有重要價值。李寧霄[3]、孫洪亮等[4]利用水工結構原型復制，在室內完成水工模型搭建，設立相應的水工荷載，安裝相關滲流、應力與位移監測傳感器，分析水工結構在運營過程中靜力場與滲流場變化特征；而針對動力工況，主要采用振動臺試驗儀器，完成水利結構振動臺試驗[5]，以模擬地震下結構監測數據，分析水工設計參數優化問題。物理模型試驗需要成本且周期較長，無法較高效獲得結構不同設計方案下的靜動力特征。因而，一些學者利用ANSYS[6]、ABAQUS[7]以及COMSOL[8]等有限元軟件建立計算模型，模擬計算不同設計方案、不同工況下結構滲流場以及靜動力下響應特征；而流固耦合工況下，亦可采用有限元仿真手段完成計算模型的多物理場疊加[9]，分析模型應力、位移等變化特征。本文根據黔西擬建水工渡槽結構靜動力響應特征問題，利用ANSYS完成結構靜力荷載下位移、應力分析，獲得地震荷載下模態特征與應力響應特征，為工程安全設計提供重要依據。

2 工程概況

為提升地區水利安全性，黔西地區擬建一水工渡槽，承擔地區水資源調度、通航等作用。黔西水工渡槽設計最大流量為80 m3/s，采用拱式截面，凈高為14.5 m，設計拱頂軸線延伸系數為1.3，截面曲率為3×10-4。該彎拱在主槽結構設置有4孔預制箱涵，單孔寬度為6 m，高度2.5 m，頂、底板厚度分別為0.6、0.4 m，腹板厚度以及縫寬均根據設計方案優化后確定為0.3、0.35 m，該渡槽中部剖面圖見圖1。為確保渡槽運營后長期穩定性，工程設計部門擬對該結構開展運營期流固耦合狀態下靜動力特征開展分析，以確保渡槽設施滿足工程運營安全要求。

圖1 渡槽中部剖面圖

3 渡槽結構流固耦合下靜力特征

3.1 工程建模

利用ANSYS仿真計算平臺按照水工渡槽設計方案建立幾何模型[10]，見圖2。該模型包括主槽、彎拱、支撐柱以及連系梁等結構，其中拱腳與立柱部分為固結連接，槽身與支撐系統間布設彈性支座。采用六面體微單元作為網格基礎單元體，利用ANSYS劃分幾何模型后，獲得渡槽有限元模型，見圖3，共獲得微單元42 628個，節點數36 828個。為分析方便，本文計算模型中X、Y、Z正向分別為主槽水流向、主槽橫軸右岸向以及渡槽垂直向上。設定模型中水槽流速為2.5 m/s，計算渡槽無水工況(1#工況)、半水位工況(水位2.8 m、2#工況)以及設計水位工況(水位5 m、3#工況)下主槽靜力場特征。

圖2 渡槽幾何模型

圖3 渡槽有限元模型

3.2 位移特征

根據對3種不同工況下渡槽主槽位移計算，獲得渡槽各截面上位移變化特征，見圖4。

圖4 渡槽各截面上位移變化特征

從圖4中可知，3種工況下主槽各截面上Z向位移曲線均為倒V形，以水槽中部80 m處位移最大，1#-3#工況下中部最大位移分別為14.3、17.4和20 mm；當水槽截面距離在左岸至中部區間內時，各工況下Z向位移均為遞增態勢，3個工況下位移平均增幅分別為32.2%、32.5%和32.4%，而在主槽中部至右岸方向，位移遞減至0，即Z向位移在渡槽兩岸均為0。對比不同工況下位移特征可知，以3#工況下位移值最大，其在主槽各截面上位移值相比1#、2#工況下增幅分別達34.1%～51.7%、14.4%～25.7%。分析認為此與渡槽內水體自重有關，在靜力荷載下，當槽內自重愈大，則在彎拱中部造成的撓度愈大，而本文中3#工況水位最大，在不考慮流速影響下，3#工況結構承受荷載最高，因而其造成的主槽位移值亦愈大。從3個工況下位移差幅可知，最大差幅出現在主槽跨中，而在主槽兩岸截面上工況間位移差幅較小，隨靠近主槽跨中，各工況間位移差幅愈大；在截面40 m時3#工況上位移值為11.2 mm，相比1#、2#工況下位移增幅分別為38.9%、14.9%，而在截面70 m處3#工況與1#、2#工況間位移增幅達41.3%、18.5%。該模型中采用的彎拱渡槽，從結構力學角度考慮，彎拱是承受荷載主要結構，因而其最大撓度出現在彎拱結構處，而愈靠近兩岸承載較低，位移差異性亦較小。從結構安全性角度考慮，因重點對彎拱結構的底板、腹板等主要承載部位進行加固處理，在主槽中部增設預應力型鋼結構，提升中部承受荷載變形的剛度。

3.3 應力特征

為分析渡槽結構靜力工況下應力特征，計算獲得3個工況下主槽截面上拉應力分布，見圖5。從圖5中可看出，3#工況上拉應力最大，達4.655 MPa，位于腹板處，而1#、2#工況下最大拉應力相比前者分別減少28.8%、13.1%，表明3#工況中受水體自重影響，具有較大彎矩，因而在主槽底板結構處產生較大拉應力集中。各工況下拉應力分布基本接近，主槽腹板結構部位處拉應力也存在較大，1#工況中腹板部位拉應力以0.313～1.438 MPa為主，而在2#工況中腹板部位的拉應力增長27.8%～4.6倍，而3#工況中相比該部位拉應力增長至0.472～2.041 MPa。在腹板與底板接觸區域，各工況下均存在有較大拉應力，2#工況中該區域拉應力分布為2.224～2.679 MPa，此與渡槽結構腹板部位存在有支撐拉桿效應，造成該部位截面上存在“下拉上壓”的應力分布效應，因而結構設計時該部位應重點加密布設鋼筋。在渡槽中部拉應力集中在底板，而往渡槽兩岸方向，拉應力分布逐漸蔓延至腹板部位，且拉應力分布有近對稱分布形態，而水位愈高，則渡槽結構體系中產生的拉應力威脅面愈大，表明不可忽視水體自重在渡槽運營期間產生的拉應力效應。從應力安全性考慮，2#、3#水位工況下最大拉應力均超過4 MPa，已達到結構安全允許臨界值，主槽結構產生張拉裂縫趨勢較大，因控制主槽腹板與底板接觸區域，再次印證應加大結構剛度，確保水槽運營安全性。

圖5 主槽截面上拉應力分布

4 渡槽結構流固耦合下動力響應特征

4.1 地震荷載模型

利用ANSYS完成渡槽結構地震動力荷載下建模，見圖6，以附加質量模型作為建?；A，水體自重疊加處理，完成流固耦合下渡槽地震荷載模型建立。本文動力響應工況中，以1#無水工況、3#設計水位工況開展對比分析。

圖6 地震荷載渡槽模型

4.2 自振特性分析

根據對有、無水工況下渡槽結構自振特性分析，獲得主槽自振頻率特征，見圖7。從圖7中可知，兩工況下自振頻率變化趨勢基本一致，均呈先慢后快增幅態勢，在計算第1-第5階次區間內，平均增幅為25.8%，而在計算階次超過5后，平均增幅為36.6%，表明結構自振頻率在荷載后期更為顯著。當處于3#有水工況下，計算階次在第1-第5與第5-第10區間內，各階次下自振頻率平均增幅分別為30.3%、35.3%。對比兩工況下自振頻率可知，1#無水工況自振頻率高于3#有水工況，此與水體自重有關，當主槽內水位愈高，受水體自重影響，其頻率降低[11]。

圖7 主槽自振頻率變化特征

4.3 動力響應特征

針對渡槽結構動力響應特征，設計以彎拱結構作為重點分析對象，探討該結構地震荷載下應力響應特征，并以彎拱上拱腳、1/2處、拱頂作為特征部位開展分析，所引入的地震荷載反應譜曲線見圖8。

圖8 地震荷載反應譜曲線

本文根據地震荷載反應譜曲線分別設定不同方向荷載，引入主槽水流向、橫向、豎向3個不同輸入方向的地震荷載計算模型，分別得到特征部位應力響應值，見圖9。從圖9中可看出，在無水工況中拱腳處應力響應值最大，屬豎向輸入模型，達6.3 MPa，而水流向與橫向方向上相同部位處應力值相比前者分別減少44.4%、76.2%。而在彎拱1/2處部位最大應力為4.7 MPa，仍屬豎向輸入荷載模型，而水流向、橫向該部位最大應力僅為前者的68%、22%。有水工況下3個特征部位應力響應值均有提高，在橫向輸入荷載模型中，3#工況拱腳處應力響應值相比1#無水工況下增長4%，而在橫向輸入荷載模型中，特征部位間應力差幅為4%～25.7%；順水流向與豎向荷載模型中特征部位應力差幅分別為8.3%～70%、23.8%～46.8%，由此可見豎向輸入荷載模型中有、無水體差異性最顯著，此與流固耦合下豎向荷載與水體自重方向相一致，耦合作用下結構應力響應值顯著增大。

圖9 主拱應力響應值

拱頂處最大應力亦為豎向輸入荷載模型，達4.1 MPa，水流向、橫向與其差幅為5.8倍、10.7倍；分析表明豎向輸入地震荷載下彎拱結構應力響應最顯著，受張拉破壞威脅最大。

5 結 論

1) 主拱中部80 m處位移最大，而兩岸側位移均為0，1#-3#工況下最大位移分別為14.3、17.4和20 mm；受水體自重影響，3#工況下位移值最高；愈靠近主槽跨中，各工況間位移差幅愈大，主槽截面40 m處3#工況與1#、2#工況位移差幅分別為38.9%、14.9%，而在跨中截面位移差幅增大至41.3%、18.5%。

2) 靜力荷載下3#工況拉應力最大，達4.655 MPa，位于腹板處；渡槽中部拉應力位于底板，兩岸側拉應力分布至腹板部位。

3) 動力荷載下有、無水工況自振頻率的變化特征一致，呈先慢后快增幅，且無水工況下自振頻率高于有水工況。

4) 3種不同輸入方向地震荷載下，豎向輸入

模型應力響應值最大，無水工況下拱頂處水流向、橫向與其差幅為5.8倍、10.7倍；且該荷載輸入模型中有、無水工況下差異性最顯著，特征部位上應力差幅達23.8%～46.8%。