刘家坝倒虹吸结构设计与有限元分析

倒虹吸

第１６卷第６期２０１０年６月

水利科技与经济

ＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｎ，ａｎｃｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｃｏｎｏｍｙ

Ｖ０１．１６

Ｎｏ．６

Ｊｕｎ．．２０１０

刘家坝倒虹吸结构设计与有限元分析

姬栋宇１’２

（１．湖南城建职业技术学院土木工程系，湖南湘潭４１ｌｌＯｌ；２．郑州大学土木工程学院，郑州４５０００２）

［摘要］采用有限元计算软件对刘家坝倒虹吸工程进行了结构设计和受力分析，给出了倒虹吸管在施工和运营过程中各种工况下典型断面和路径上的应力、变形分布规律，为刘家坝倒虹吸工程的安全运营提供了可靠的理论依据。

［关键词］倒虹吸；有限元分析；计算路径；环向应力。

［中图分类号］

Ｔｖ６４

［文献标识码］

Ａ

［文章编号］ｌ００６—７１７５（２０ｌｏ）０６—０６３８一０２

１

工程概况

刘家坝倒虹吸工程位于四川省大竹县乌木滩水库左

干渠上，除控灌农田Ｏ．２×１０４ｈｍ２，还供大竹县城关工业及居民用水。倒虹吸设计流量２．０ｍ３／ｓ，流速２．１２∥ｓ，设计水头８．９ｍ，水头损失Ｏ．９ｌｍ，倒虹吸管道全长

１５２．８３０．２

ｍ。倒虹吸管采用单孑Ｌ圈管，管道内径１．２ｍ，壁厚

ｍ，采用钢筋混凝土结构形式，混凝土强度等级为

Ｃ２５，钢筋强度等级为Ⅱ级。

２有限元模型

２．１材料参数

刘家坝倒虹吸Ｔ程采用埋管方式，倒虹吸管覆盖层厚度０．８ｍ，管下为砂碎石垫层，进出口渐变段为水泥砂浆砌块石。倒虹吸管混凝土强度等级为ｃ２５，弹性模量蜀＝２８ＧＰａ，泊松比Ｍ＝０．１６７，容蘑ｙｌ＝２５ｋＮ／ｍ３。钢筋强度等级为Ⅱ级，弹性模量Ｅ＝２００ＧＰａ，泊松比地＝

Ｏ．２８…。

图ｌ跨河段倒虹吸管有限元模型图

３计算结果分析

３．１

分析路径

为了能够对刘家坝倒虹吸－Ｔ程的跨河段进行准确分

析，主要在倒虹吸管内表面选取了以下４条分析路径：路径ｌ，顺着水流方向，在倒虹吸管管底处每隔０．５ｍ选取一个关键点，共取７个关键点；路径２，顺着水流方向，在倒虹吸管管腰处每隔Ｏ．５ｍ选取一个关键点，共取７个关键点；路径３，顺着水流方向，在倒虹吸管管顶处每隔Ｏ．５

ｍ

２．２结构模型

采用８结点等参块体单元模拟倒虹吸管及地基，每个单元结点具有３个平动自由度，该单元是模拟混凝土或岩石的专用单元，可以设定混凝土结构各个方向上的体积配筋率或岩石的各向异性特性心Ｊ。下面将选取刘家坝倒虹吸Ｔ程的跨河段进行受力分析，在跨河段倒虹吸管跨度为３ｍ，其有限元计算模型见图ｌ。

选取一个关键点，共取７个关键点；路径４，在倒虹吸管的跨中处沿环向取２４个关键点。下面将分别给出这些路径上的应力和变形分布情况。

２．３计算工况

在所取的倒虹吸管段设计水头８．４ｍ，最小水头

７．５

３．２应力分析

应力分析结果表明，在Ｔ况１下，倒虹吸管最大环向拉应力为０．１０４ＭＰａ，出现在倒虹吸管顶处端部，最大环向压应力为一Ｏ．１４６ＭＰａ，出现在倒虹吸管腰处端部；倒虹吸管最大径向拉应力为０．０４４ＭＰａ，出现在倒虹吸管顶距端部０．５ｍ处，最大径向压应力为一Ｏ．０２４ＭＰａ，出现在倒虹吸管腰距端部ｌｍ处。在工况２下，倒虹吸管最大环

ｍ，对刘家坝倒虹吸工程的结构分析主要考虑了３种

计算ｔ况∞ｊ：工况ｌ，结构自重；工况２，结构自重＋最小水头７．５ｍ；工况３，结构自重＋设计水头８．４

ｍ。

［收稿日期］２００９一１２一１５

［作者简介］姬栋宇（１９８ｌ一），男，河南濮阳人，助教，博士研究生，主要从事工程结构数值仿真研究工作

一６３８—

倒虹吸

姬栋字：刘家坝倒虹吸结构设计与有限元分析

向托应力为Ｏ．４１４ＭＰａ，出现在倒虹吸管顶处端部，环向未出现压应力。倒虹吸管最大径向拉应力为０．０８０

表ｌ

ＭＰａ，

一Ｏ．０３２

第６期

ＭＰａ，出现在倒虹吸管腰距端部ｌｍ处。工况３

下各路径关键点上的应力值见表ｌ。

出现在倒虹吸管底距端部Ｏ．５ｍ处，最大径向压应力为

工况３下各路径关键点上的应力值

／ＭＰａ

从表１可以看出，倒虹吸管的环向应力值比轴向应力大得多，其环向应力沿轴向呈对称分布，在管底、管腰处环向拉应力端部小，中间大。在管顶处环向拉应力端部大，中间小。

工况３下倒虹吸管跨中断面环向、轴向应力等直线图见图２、图３。

ＳＹ

ＩＡＶＧ）

部分为压应力，以下部分为拉应力。这主要是由于倒虹吸管在自重和水压作用下，倒虹吸管的弯曲变形所引起的应力分布。倒虹吸管上的最大轴向拉应力为

０．０５４

ＭＰａ，出现在倒虹吸管底处，最大轴向压应力为ＭＰａ，出现在倒虹吸管顶处。

一０．０６０

３．３变形分析

工况３下倒虹吸管各路径关键点上的径向位移值见表２。

路径ｌ

位置百—矿百≠笋百＿而

Ｏ．５２９

Ｏ．７５５

表２工况３下各路径关键点上的径向位移值／ｍｍ

１．３３Ｉ１．４９ｌ１．３３ｌ１．０４５

Ｏ．７５５０．５２９

１．１０９

路径２

１．１０９１．０ｒ７５１．０４５１．ｏｏｌ１．０７５

路径３一Ｏ．６００一Ｏ．６４５一Ｏ．７１９—０．７５２一Ｏ．７１９一Ｏ．６４５一Ｏ．６００

从表２可以看出，ｔ况３下倒虹吸管各路径关键点上

的最大径向向外位移为１．４９ｌ，姗，出现在倒虹吸管跨中

的管底处，最大径向向内位移为一Ｏ．７５２咖，出现在倒虹

吸管跨中的管顶处。这主要是由于倒虹吸管的弯曲变形所产生的结果。

４

结语

综上所述，刘家坝倒虹吸结构设计是经济合理的，结构是安全可靠的。在设计工况下，倒虹吸结构的应力和变形都较小，能够满足工程要求。

［参考文献】

图３倒虹吸管跨中断面轴向应力等直线图（ＭＰａ）从图２可以看出，倒虹吸管跨中断面环向应力基本都为拉应力，其最大环向拉应力出现在管腰处，最大值为

Ｏ．２３６

［１］ＳＬ／Ｔ１９１—９６，水ｒＴ混凝土结构设计规范［ｓ］．［２］郝文化．ＡＮｓＹｓ土木工程应用实例［Ｍ］．北京：中国

水利水电出版社，２００５．

［３］李惠英，田文铎，阎海新．倒虹吸管［Ｍ］．北京：中国

水利水电出版社。２００６．

（编辑：杨文）

ＭＰａ，在管底处出现了较小的压应力。从图３可以

看出，倒虹吸管跨中断面轴向应力分布规律为管腰以上

一６３９—

倒虹吸

刘家坝倒虹吸结构设计与有限元分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

姬栋宇

湖南城建职业技术学院土木工程系,湖南湘潭,411101;郑州大学土木工程学院,郑州,450002水利科技与经济

WATER CONSERVANCY SCIENCE AND TECHNOLOGY AND ECONOMY2010，16(6)0次

参考文献(3条)

1.SL/T 191-1996,水工混凝土结构设计规范 19962.郝文化 ANSYS土木工程应用实例 20053.李惠英.田文铎.阎海新 倒虹吸管 2006

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倒虹吸

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