基于大型预应力矩形渡槽运营期中的有限仿真分析

大型渡槽是南水北调工程中的关键控制性结构,本文针对沙河矩形渡槽结构体型大、受力复杂等问题,运用ANSYS大型有限元软件,对南水北调中线一期工程总干渠沙河渡槽进行了三维有限元仿真分析。汇总了8种在沙河预应力渡槽工作过程的组合工况,分析各工况在输水作用下应力变形分布规律,并分析了各种单荷载因素对渡槽变形的影响。分析结果表明,沙河渡槽结构合理,满足设计要求。为预应力矩形渡槽运营期的设计和施工提供一定的参考依据。

沙河渡槽槽身结构优化设计

以遗传算法为全局搜索方法,以混合离散变量的直接搜索与查点法为局部搜索方法,对遗传算法改进而形成了混合遗传算法。研制开发了基于混合遗传算法的渡槽结构优化设计程序。对于沙河渡槽进行了优化设计,得到了U形断面4槽、2槽和矩形断面4槽、2槽共4种槽型方案。从中确定U形断面4槽方案为最优方案,并被设计单位采用。优化结果表明:U形渡槽的经济性和安全性优越于矩形渡槽;遗传算法是一个很有推广应用价值的优化设计方法。

沙河U型渡槽施工期温度场和应力场仿真计算分析

大体积混凝土的内外温差和基础温差是施工期结构易开裂的主要原因。通过三维有限元法对南水北调工程沙河U型渡槽施工期采取表面保温和内部水管降温相结合的温控措施进行仿真计算,分析了混凝土施工期温度场和应力场的时空变化规律。计算结果表明:温降阶段在渡槽端部容易出现裂缝;温控措施能起到较好的防裂效果。这种温控措施可为同类工程所借鉴。

南水北调中线沙河渡槽施工期三维有限元分析

本文主要是采用三维有限元技术,建立了大流量预应力矩形渡槽有限元模型,考虑结构自重、预应力、风载、水载对渡槽的影响,按水工混凝土结构设计规范(SL 191-2008)要求,对南水北调中线工程的沙河渡槽在合理工况组合下的施工期进行了仿真计算,得出控制点在各外载作用下的应力及变形结果,为预应力矩形渡槽施工期的设计提供一定的理论依据。

沙河涵洞式渡槽结构受力分析

采用有限单元法对沙河涵洞式渡槽结构在运行过程中的受力情况进行了计算,分析时考虑了渡槽结构自重、水荷载、河道扬压力、风载、人行荷载、温度荷载等10种计算工况。结果表明:在各种单荷载因素中,对沉降量影响较大的因素是结构自重和渡槽内水荷载,正常运行时温变荷载基本不影响结构的沉降量;涵洞式渡槽结构的最大拉应力发生在渡槽内跨中断面的侧墙与底板交接处,方向为环向;最大压应力发生在涵洞两竖墙之间中部的渡槽底板上,方向为纵向;其他部位的拉、压应力值都比较小。

沙河渡槽的有限元结构分析

对南水北调工程中的沙河渡槽进行了有限元分析计算,给出了沙河渡槽结构形式的横断面应力图及结构位移图,并由此对渡槽进行了结构强度、刚度方面的分析,得出了渡槽结构具有足够的强度和刚度,结构是安全可靠的.

矩形沙河渡槽的动力响应分析

针对矩形沙河渡槽不同水位在横向激励下的时程响应,计算横向应力和纵向应力,分析其分布规律;计算渡槽跨中和1/4断面的水平位移,结果两者数值相当,均较小.从而得出矩形沙河渡槽在地震作用下具有足够的强度和刚度.

沙河预应力矩形渡槽运营期有限元仿真分析

采用通用的有限元计算软件,对沙河预应力矩形渡槽进行了三维有限元分析。考虑了渡槽在运营过程中的8种组合工况,得出了渡槽结构中应力和位移的分布规律。为预应力矩形渡槽运营期的设计提供了一定的理论依据。

大型渡槽的动力响应分析

针对大型渡槽的动力响应问题,以南水北调工程沙河渡槽为例,应用有限元软件建立三维计算模型,采用附加质量法考虑动水压力,用Newmark方法对结构进行了全时域下的横向应力和纵向应力计算,并对其在横向激励(地震)下的动力响应进行了分析。结果表明:渡槽结构的动应力均随槽内水深的增加而增大;在横向地震激励作用下,槽底纵横梁对横向应力影响较大,容易在纵横梁交界处引起应力集中;在横向激励下,渡槽结构横向位移的响应规律是跨中大、两端小。

大型预制沙河渡槽“槽上运槽”过程动力响应仿真分析

大型预制渡槽在“槽上运槽”过程中若承载槽承载力不足,则可能导致施工槽、承载槽的双重破坏,严重影响甚至危害渡槽施工。以南水北调沙河梁式渡槽为研究对象,试验监测运槽车轮子中心行驶至承载槽1/8跨、1/4跨以及1/2跨处时,承载槽槽身混凝土应力及预应力钢绞线应力变化规律。监测结果表明:在运槽过程中,承载槽槽身混凝土及钢绞线应力较空槽状态略有上升;槽身混凝土及钢绞线基本属于受压状态,压应力小于材料强度,但承载槽跨中槽底及端部存在小范围拉应力区,拉应力超过混凝土抗拉强度,具有较高开裂风险。因此,大型预制渡槽“槽上运槽”过程存在一定安全隐患,需要加强承载槽跨中槽底的应力监测,必要时可采取附加支撑加固措施。

南水北调中线沙河梁式渡槽桩基承载力测试

南水北调中线沙河梁式渡槽槽墩基础设计为混凝土灌注桩,设计时采用的桩侧土层犘阻力标准值以及桩端土层承载力允许值均为相关规范及经验取值。为了验证沙河梁式渡槽桩基设计成果,在渡槽工程场区布置了3组试验桩,采用自平衡法检测基桩竖向抗压承载力。经现场检测,3组试桩的单桩竖向抗压承载力平均值均达到设计要求。将试验桩实测成果与前期采用勘测资料计算的成果对比分析,表明该渡槽桩基设计是安全可靠的。

沙河渡槽大型架槽机施工应用技术研究

南水北调中线沙河渡槽为预应力渡槽,具有断面尺寸大、质量大的特点,渡槽架设采用我国尚未有先例的大型架槽机安装。参照我国公路、铁路大型架桥机的设计与施工经验,对渡槽安装工法的关键环节和主要影响因素包括提槽、架槽、运槽以及提槽吊点、架槽导梁支撑、运槽安全性等,进行了分析。在此基础上,开发了大型渡槽架槽机并成功地应用于沙河渡槽工程中,填补了我国大型架槽机施工工法及成套设备的空白。

纤维素纤维在南水北调中线沙河渡槽高强混凝土中的试验分析

沙河渡槽是南水北调中线保证通水与否的重要控制工程,是目前采用预制工艺的单体自重最大的薄壁预应力输水构件,对构件的抗裂和强度及耐久性存在极高的要求。纤维素纤维是新兴的复合纤维,属于低弹模级材料。可以大幅提高混凝土及砂浆的均质性,有效抑制早期的塑性裂缝和干缩裂缝,同时改善混凝土的抗渗性、抗冻融性及耐火性,最终达到提高混凝土的耐久性。通过现场在混凝土配合比中添加纤维素纤维的试验,验证纤维素纤维对于高强度混凝土性能的影响和改善,挑选适合沙河渡槽预制槽体混凝土的纤维素纤维以及掺量,达到满足设计要求,保证沙河渡槽的工程质量。

南水北调沙河渡槽预制安装测量监理质量控制

通过南水北调中线沙河渡槽工程的测量监理质量控制工作实践,针对U形梁式渡槽预制安装施工的特点,重点阐述了在施工测量检测环节的质量控制工作,并介绍了测量监理质量控制的重点和测量检测方法。既有对规范标准和设计要求的严格执行,又有对各项检测过程严格控制与创新,可为类似渡槽工程或桥梁工程的施工测量监理质量控制所借鉴。

南水北调中线沙河渡槽关键技术研究与应用

为了保证沙河渡槽工程质量与安全可靠性,针对工程布置、结构选型与设计以及施工开展了一系列技术研究与试验。主要介绍沙河渡槽选址选线、渡槽总体结构选型与布置、水头优化分配、水力学模型试验、结构分析研究、槽身架槽机施工技术方案研究、预制槽蒸养温控仿真研究、原型槽充水与止水试验、预应力张拉试验、桩基静载试验等技术研究与试验成果。对于完善大流量预应力渡槽的设计理论,以及推动大型渡槽机械化施工具有重要的推广价值。

南水北调中线工程沙河渡槽充水试验研究

为检验南水北调中线总干渠沙河渡槽结构质量、安全情况,按照预定方案开展了全段渡槽充水试验工作。试验共发现槽身裂缝、止水缝、施工缝及螺栓孔四类质量问题造成的渡槽质量缺陷72处,总体上混凝土施工与止水安装质量较好,发现的质量缺陷不影响工程结构安全,对其进行混凝土灌浆和表面封闭处理后,渡槽结构能够满足正常使用要求。充水试验期间,对渡槽变形及应力应变进行了全面监测,最大挠度2.90 mm,最大沉降量18.72 mm,最大沉降差5.53mm;沙河渡槽预应力槽身结构在各工况下均处于受压状态,普通钢筋混凝土槽身结构应力应变均在允许范围内。充水试验证明,沙河渡槽整体结构安全稳定,在各设计工况下均处于平稳运行状态。

沙河渡槽侧墙内侧表面裂缝成因分析及温控防裂措施研究

渡槽的槽身属于薄壁结构,其温度场和温度应力变化规律与大体积混凝土结构对应的变化规律差异较大。大型渡槽采用高强度等级混凝土,早期发热速度快,发热量高,在浇筑初期容易出现较大的内外温差,如果此时外界温度很低,极易导致表面出现的拉应力超过混凝土的抗拉强度,产生表面温度裂缝。采用ANSYS有限元软件对沙河渡槽进行温度场和温度应力仿真计算,分析了沙河渡槽侧墙内侧裂缝产生的原因。研究结果表明,渡槽侧墙混凝土由于施工期过大的内外温差和过快的降温速率,以及间歇面处的强约束作用在其内侧表面产生水平向过大的温度拉应力是导致侧墙内侧开裂的主要原因。针对裂缝成因提出了温控防裂措施并验证其合理性,避免了后续渡槽侧墙温度裂缝的产生,为工程的顺利进行创造了条件。

沙河U形渡槽预应力张拉试验研究

南水北调中线工程沙河渡槽为预应力渡槽。为了掌握预应力渡槽施加预应力后应力损失情况,于渡槽正式架设前,在施工现场建造了预应力锚索张拉试验台,对渡槽纵横向预应力锚固情况进行了测验与分析。介绍了张拉台的设计方案、测验过程及改进测试精度的措施。通过试验,获得了锚索孔道摩阻系数、锚固回缩损失、锚圈口锚力损失等重要参数,为设计和施工提供了依据。

沙河渡槽施工期温度场分析

根据热传导理论,对渡槽槽身在蒸汽养护条件下施工期的温度场进行了分析。结果表明:预养期,混凝土内外温差相对较小,且混凝土弹性模量较小,槽身不会产生较大的温度应力;升温期,混凝土温差多为外层温度高于内部温度,主要产生压应力,可适当放宽该时段温差要求;恒温期,受水化热影响内部温度继续上升,内外温差逐渐减小,一般由负温差转为正温差,有些工况会出现温差进一步加大现象,大多数工况都能满足15℃温差限值的要求;降温期,降温结束后混凝土内外温差不能满足15℃限值的要求,降温期混凝土外层会产生较大的拉应力,因此应采用较慢的降温速度,并且应延长混凝土在蒸汽养护蓬中的静置时间。

南水北调中线沙河渡槽水力学试验研究

沙河渡槽全长约11.9 km,由5部份组成。为验证设计,采用水工物理模型与数学模型相结合的方法,对渡槽的水流运动特性进行了研究。结果表明:物理模型试验成果与数学模型计算成果吻合较好;设计流量与加大流量条件下,渡槽的水头损失计算值分别为1.750 m和1.946 m,而水头损失的设计值分别为1.770 m和1.968 m,设计值略大于计算值,水头略有盈余;设计流量与加大流量条件下,渡槽各段的水流衔接良好,无回流现象。