導語：中線工程淇河平面管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、概述

南水北調(diào)中線工程為一等工程，倒虹為1級建筑物，對結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算要求很高，因此需要進行物理模型試驗，進一步明確倒虹結(jié)構(gòu)管道的應(yīng)力狀態(tài)，使設(shè)計和計算更為合理。河南省水利勘測設(shè)計院曾與原鄭州工業(yè)大學合作進行了淇河倒虹吸光彈模型試驗，現(xiàn)僅簡介平面光彈模型試驗。

平面光彈模型試驗的主要目的是：模擬河道有水、管道無水情況進行加載試驗，并將試驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學和二維有限元結(jié)果進行比較分析。

淇河倒虹工程概況：淇河倒虹吸為特大型工程,倒虹管身斷面為6孔,每孔斷面為6x6m2,以三孔為一聯(lián)分成兩聯(lián)，順水流方向每節(jié)管長為15m。管身材料為鋼筋混凝土，混凝土標號為C30，彈性模量為3.0x107kPa,泊松比為0.167,容重為25kN/m3；地基為粘土巖，彈性模量為30000kPa,泊松比為0.3,浮容重為10kN/m3，飽和容重為20kN/m3，土的內(nèi)摩擦角為200。倒虹吸管管身修建時采用先開挖，修建完成后回填土，管頂填土厚度為2.6m，考慮到倒虹結(jié)構(gòu)本身為對稱結(jié)構(gòu)，地基比較均一，承受的荷載基本也是對稱，因此取一聯(lián)計算。

二、模型設(shè)計

倒虹結(jié)構(gòu)管道模型采用環(huán)氧樹脂材料，模型的邊界條件與數(shù)學模型采用相同的邊界條件，即取對稱軸為邊界條件按一聯(lián)考慮。

1.模型比尺

平面光彈模型是在室溫條件下進行試驗，試驗?zāi)Ｐ偷某叽纾饕杉恿艹叽绾透軛U加力系統(tǒng)來決定的，經(jīng)過比較，決定平面光彈模型比尺為1：125.模型尺寸如圖1示。

2.地基模型材料選擇

對于光彈模型試驗，為了保持其應(yīng)力狀態(tài)與原型一致，要求倒虹結(jié)構(gòu)模型與地基的彈模比與原型倒虹結(jié)構(gòu)與地基的彈模比一致。原型倒虹結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，其彈性模量E1=3.0x107kPa，地基為粘土巖，其彈性模量E2=30000kPa，則E1/E2=1000。對于平面光彈模型，試驗是在室溫條件下進行的，倒虹結(jié)構(gòu)材料為環(huán)氧樹脂，其室溫彈性模量E1=3.4x106kPa，模型地基材料選用彈性橡膠，其彈性模量E2=3700kPa，則E1/E2=919≈1000，能夠滿足試驗要求。

3.模型的邊界條件

為了充分保證地基對結(jié)構(gòu)的影響，地基深度為模型高度的1.5倍，左邊地基長度為模型長度的1.5倍。在倒虹結(jié)構(gòu)計算中取一聯(lián)計算，其地基邊界條件為，倒虹結(jié)構(gòu)右邊為對稱面，地基不產(chǎn)生側(cè)向位移，但可以產(chǎn)生垂直位移；而倒虹結(jié)構(gòu)左邊地基長度為1.5倍的倒虹結(jié)構(gòu)長，可以認為增載引起的應(yīng)力趨于0；而地基深度為1.5倍的倒虹結(jié)構(gòu)高度，可以認為該處的水平變位和垂直邊位均為0。為了達到上述的邊界要求，在地基模型左側(cè)和底部采用厚木板強制約束，并將地基模型的左側(cè)與厚木板粘牢。在地基模型右側(cè)留一小縫與固定的厚木板分開，在微小縫內(nèi)鋪上光滑的塑料薄膜，保證地基模型的右側(cè)水平位移受到右邊厚木板的約束，但可以產(chǎn)生垂直位移。如下圖2示：

三、平面光彈試驗

本次試驗?zāi)M河道有水、管內(nèi)無水工況進行加載試驗。模型具體尺寸如上圖示，模型用環(huán)氧樹脂板在銑床上加工而成，模型厚度為8.2mm，經(jīng)試驗測定材料條紋值為f0=1200kPa/條，模型條紋值為f=146kPa/條·mm，彈性模量E1=3.4x106kPa。地基為彈性橡膠，彈性模量E2=3700kPa。

模型承受的荷載有垂直土重、水重（不考慮自重）和左右兩側(cè)的外水壓力、土壓力等，均為分布荷載。為了保證模型產(chǎn)生足夠的條紋級數(shù)供觀測計算，經(jīng)多次試驗采用原型與模型分布力相似系數(shù)Cq=qp/qm=0.7,則作用在模型上的分布荷載為qm=qp/0.7=1.43qp,qp為作用于原型上的分布系數(shù)，經(jīng)換算模型頂部和兩側(cè)所承受的分布力qm列于下表1中。

表1

qp（kPa）

Cq

qm（kPa）

垂直水重、土重

q上

338

0.7

237

右側(cè)外

水壓、土壓

Q右上

162

0.7

114

Q右下

202

0.7

142

Q右

182

0.7

128

左側(cè)外

水壓、土壓

Q左上

180

0.7

126

Q左下

237

0.7

166

Q左

209

0.7

146

模型垂直荷載是通過光彈儀加力架的杠桿加力系統(tǒng)實現(xiàn)的；左右兩側(cè)的外水壓力、土壓力則是通過拉壓傳感器和應(yīng)力測力儀來實現(xiàn)的，整個加力系統(tǒng)如下圖3示。

模型等色線圖如圖4所示。

將測得的每三個邊界應(yīng)力值和相應(yīng)的分布荷載值輸入計算機，按GKLJ程序計算矩形框架各桿件的內(nèi)力和地基反力，并將此次試驗結(jié)果與平面有限元計算結(jié)果、結(jié)構(gòu)力學計算結(jié)果、三維有限元計算結(jié)果列于下表2，進行對比分析。

表2

N

kN

Q

kN

M

kN·m

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

左上梁

左端

-830

-798

-698

-567

474

437

686

362

357

292

791

151

跨中

-830

-798

-698

-815

17

-18

-40

8

-320

-291

-396

-110

右端

-830

-798

-630

-630

-336

-410

-712

-302

373

205

864

86

中上梁

左端

-849

-840

-617

-627

368

331

693

327

328

121

877

50

跨中

-849

-840

-617

-821

37

40

-20

19

-242

-218

-392

-195

右端

-849

-840

-617

-616

-394

-419

-705

-333

449

349

881

190

右上梁

左端

-826

-796

-636

-615

500

451

709

256

351

277

844

68

跨中

-826

-796

-636

-786

-30

-6

10

-10

-356

-349

-399

-176

右端

-826

-796

-636

-540

-462

-442

-710

-320

386

227

860

164

左邊柱

上端

-1079

-950

-783

-516

-415

-454

-684

-367

-398

-239

-791

-146

跨中

-1079

-950

-783

-768

-67

-10

10

-5

-307

296

396

209

下端

-1079

-950

-783

-579

480

488

859

297

-307

-209

-1032

-123

左中柱

上端

-1406

-1301

-1500

-1011

80

61

26

16

170

82

99

-12

跨中

-1406

-1301

-1500

-1378

80

55

26

2

-19

3

27

8

下端

-1406

-1301

-1500

-1070

80

57

26

7

-105

-80

-69

-3

右中柱

上端

-1407

-1385

-1417

-1016

48

24

16

59

119

15

45

-40

跨中

-1407

-1385

-1417

-1384

48

20

16

9

-28

-28

-40

-6

下端

-1407

-1385

-1417

-1086

48

30

16

53

-151

-57

-129

3

右邊柱

上端

-796

-857

-705

-508

438

397

637

377

336

254

765

174

跨中

-796

-857

-705

-782

24

-30

10

11

-220

-165

-257

-186

下端

-796

-857

-705

-635

-416

-456

-732

-329

175

339

732

74

左下梁

左端

-864

-1115

-859

-831

-453

-446

-817

-397

-384

-332

-813

-126

跨中

-864

-1115

-859

-1047

17

-18

7

342

225

378

157

右端

-864

-1115

-859

-794

386

392

686

377

-284

-197

-721

-130

中下梁

左端

-818

-1223

-887

-759

-420

-459

-699

-385

-343

-284

-777

-131

跨中

-818

-1223

-887

-946

28

15

-10

9

278

306

392

194

右端

-818

-1223

-887

-711

682

445

680

355

-278

-205

-790

-115

由下梁

左端

-678

-1290

-907

-687

-491

-505

-736

-404

-330

-262

-816

-154

跨中

-678

-1290

-907

-892

-39

-20

11

401

414

458

-197

右端

-678

-1290

-907

-660

479

478

691

353

-146

-114

-732

-109

1.試驗結(jié)果；2.平面有限元；3.結(jié)構(gòu)力學；4.三維有限元。

從上表數(shù)據(jù)比較可以得出結(jié)論，跨中彎矩試驗結(jié)果與有限元結(jié)果一致；而端部彎矩試驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學計算結(jié)果較接近。通過試驗說明，對于多跨大型框架結(jié)構(gòu)，采用平面有限元進行計算較為合理。

四、結(jié)語

通過平面光彈模型試驗說明，對于大型箱形框架結(jié)構(gòu)，由于其橫向尺寸較大，受不均勻沉降影響很大，雖然在較軟的地基上，其地基反力也不是均勻分布的，并且在柱子的底部有地基反力集中現(xiàn)象。因此，對于大型倒虹結(jié)構(gòu)必須考慮結(jié)構(gòu)和地基的相互作用。對于南水北調(diào)這樣的大型倒虹吸結(jié)構(gòu)設(shè)計，為更好地反映其受力狀態(tài)，應(yīng)采用二維有限元計算為宜。

參考文獻

1.《光彈性原理及測試技術(shù)》，天津大學主編，科學技術(shù)出版社，1982年

2.《試驗應(yīng)力分析》，張如一，陸耀楨，機械工業(yè)出版社，1981年

3.《南水北調(diào)中線工程大型倒虹結(jié)構(gòu)分析與試驗研究》，河南省水利勘測設(shè)計院，鄭州工業(yè)大學，清華大學，1998年