刘家坝倒虹吸结构设计与有限元分析
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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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采用线性有限元法对南水北调中线工程淇河倒虹吸箱型结构进行了有限元分析,使用软件 ANSYS 建立了计算模型,得出了各工况下倒虹吸底板、顶板等的应力分布,以检验预应力筋配置的合理性.
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倒虹吸
力分布,确定了倒虹吸结构截面尺寸、预应力钢筋的布置形式和数量.
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