异型箱涵有限元分析及配筋简化计算导则

1、82第34卷第23期西建筑 Vol.34No.23 山2008年8月Aug. 2008SHANXI ARCHITECTURE文章编号:1009 6825(2008)23 0082 02异型箱涵有限元分析及配筋简化计算导则谭锡洪 孙小兵 马兆荣摘 要:为了解决某电厂过渠斜交异型箱涵的配筋问题,对其进行了热固耦合场三维有限元计算,得出了箱涵配筋的指导性结果,同时为了探明异型箱涵非温度荷载的受力规律,进行了不同斜交角异型箱涵的系列计算,总结出了异型箱涵非温度荷载的配筋简化计算导则。关键词:异型箱涵,热固耦合,有限单元法,非温度荷载,配筋中图分类号:TV315某电厂脱硫区排水箱涵与进水明渠成38 角斜

2、交,致使过渠箱涵形成宽跨比较大、平面呈菱形(锐角为38 )的特殊结构。此1 3时,箱涵对荷载呈现明显的三维反应,其结构计算既不能沿断面方向作平面框架简化,又不能在平面方向按单(双)向板计算顶板和底板的受力,因此,本着正确反映箱涵受力的目的,对过渠异型箱涵进行了三维有限元计算分析。文献标识码:A合的最大温差工况为:箱涵内温排水体的温度为37.0!,箱涵外明渠水温为25.0!。温度作用分项系数取1.1。计算结果表明,箱涵受稳态温度场作用,温度在顶板、底板、侧壁等部位沿厚度方向均匀变化,在水流方向,各壁板的温度梯度基本相同。3.2 热固耦合有限元计算结果对箱涵施加水压力、自重等荷载,同时耦合温度作用

3、,经热固耦合计算后,所得主要结果如下:1)计算结果表明,箱涵锐角处出现了较大的翘曲位移,最大翘曲位移为6.81mm。翘曲的主要原因是箱涵的温胀变形。2)在箱涵边孔顶板上部锐角附近出现了较大的主拉应力区,顶板主拉应力分布方向均以隔墙和侧墙端部为中心向钝角区域内发散分布,在侧墙与发散中心的垂线上出现了最大主拉应力流。3)侧墙、隔墙的支座附近存在较大主拉应力区,主拉应力方向基本与竖直向成45 。因此,侧墙、隔墙受较大的扭转作用。4)底板在隔墙下部、支座附近等部位存在较大的主拉应力,主拉应力方向基本为垂直支座方向,仅在隔墙下部出现向垂直隔墙方向偏转的趋势。1 工程概况过渠异型箱涵共12孔,单孔净宽4.

4、0m,净高2.5m,顶板厚300mm,底板厚400mm,侧壁厚350mm,中隔墙厚300mm。每3孔箱涵为一个浇筑单元,浇筑单元间设纵向伸缩缝;沿涵内水流方向每14.6m设横向伸缩缝。纵横向伸缩缝把箱涵划分为高3.4m,平面形状为菱形(边长:14.6m 21.6m,斜交角:38 )的异型涵节。在箱涵横向伸缩缝处设置支墩,支墩轴线与横向伸缩缝位于同一个竖直平面。过渠异型箱涵的三维模型见图1。过渠异型箱涵分为土中箱涵和水中箱涵两部分。3.3 配筋计算按积分原理,取0.5m宽梁条进行计算,各部位积分路径均沿主拉应力方向,积分路径选主拉应力的集中分布部位。按积分法求得内力后,采用500mm宽梁条进行配

5、筋计算,按正常使用极限状态(裂缝限宽0.2mm)和承载能力极限状态计算所得的配筋面积最大值选配钢筋5,各部位配筋结果见表1。表1 水中箱涵配筋汇总表部位顶板侧墙隔墙底板端部加强侧墙支座处横向D22100隔墙支座处横向D22100纵向D18100跨中横向D18100由于水中箱涵和土中箱涵的结构形式和几何尺寸基本相同,因此,在有限元计算分析时,两类箱涵采用相同的分析模型。2 有限元模型采用空间六面体20节点等参单元(热分析时采用thermalsolid90单元,结构分析时采用structuralsolid95单元)对整体结构进行网格剖分。剖分原则如下:1)在现有计算机内存和硬盘等外部条件限制下,尽

6、可能地增加单元和节点数量,以提高计算精度。2)有限元模型全部剖成六面体单元,以提高精度。3)单元的长厚比最大值控制在2以内。4)单元剖分能反映构筑物的轮廓形状、荷载分布等情况。按照上述网格剖分原则,整体结构的总单元数为28028个,节点数为152973个。竖直向D25100,水平向D18100竖直向D22100,水平向D18100D25100D25100D16100D161005D25100箱涵受力筋应尽量沿主拉应力方向排布,根据异型箱涵的受力特点,其顶板、底板的推荐钢筋排布形式见图2。4 土中箱涵计算结果4.1 有限元计算结果对箱涵施加土压力、自重等荷载,经有限元计算后,所得主要结果如下:1

7、)计算结果表明,箱涵顶板出现了较大的凹陷位移,最大位3 水中箱涵计算结果3.1 热分析按长期作用的稳态温度场进行计算。根据运行资料,温度组收稿日期:2008 04 09作者简介:谭锡洪(1955 ),男,助理工程师,广东省电力设计研究院,广东广州 510600孙小兵(1980 ),男,硕士,工程师,广东省电力设计研究院,广东广州 510600马兆荣(1970 ),男,硕士,高级工程师,广东省电力设计研究院,广东广州 510600第34卷第23期谭锡洪等:异型箱涵有限元分析及配筋简化计算导则2008年8月83移为6.39mm,主要由上部土压力引起。5.1.2 侧墙、隔墙简化计算1)侧墙受力筋大小

8、及间距可参照顶板受力筋。2)隔墙受弯筋可参照顶板(底板)受力筋面积进行选配,同时按斜交角大小进行折减。一般情况下:斜交角30 40 时,折减系数可取1.01.2,斜交角40 50 时,折减系数可取0.81.0,斜交角50 60 时,折减系数可取0.60.8。5.2 正交区配筋简化计算2)顶板上部钝角处、隔墙上部、以隔墙为支撑的顶板跨中等部位均出现了较大的主拉应力区。隔墙上部、顶板跨中等部位的主拉应力方向基本为垂直隔墙、侧墙方向,仅在靠近端部部位出现渐变,至端部边缘,主拉应力方向渐变为与端部平行。3)侧墙、隔墙基本受压,压应力方向基本为竖直向。4)底板在隔墙下部、隔墙之间的支座附近等部位存在较大

9、的主拉应力,主拉应力方向基本为垂直支座方向,仅在隔墙下部出现向垂直隔墙方向偏转的趋势。根据圣维南原理,可认为离开三角区1.0倍三角区长度(沿箱涵流向)为正交区箱涵。正交区箱涵配筋计算按普通正交箱涵进行计算。5.3 过渡区配筋简化计算三角区箱涵和正交区箱涵之间的部分为过渡区箱涵,过渡区箱涵按三角区与过渡区线形渐变配置钢筋。5.4 算例依照上述简化计算导则,取土中箱涵侧墙和隔墙间的一跨顶板为分析对象,按两边自由、两边固结的边界条件进行异型板有限元配筋计算。计算结果表明,简化计算与三维有限元计算相比,异型板的受力方式、配筋面积、布筋形式等基本相同,因此,斜交箱涵非温度配筋的简化计算是可行的。4.2

10、配筋计算按积分原理,取0.5m宽梁条进行计算,各部位积分路径均沿主拉应力方向,积分路径选主拉应力的集中分布部位。按积分法求得内力后,采用500mm宽梁条进行配筋计算,按正常使用极限状态(裂缝限宽0.2mm)和承载能力极限状态计算所得的配筋面积最大值选配钢筋,各部位配筋结果见表2。表2 土中箱涵配筋汇总表部位顶板侧墙隔墙底板端部加强侧墙支座处横向D25100隔墙支座处横向跨中纵向横向6 结语1)针对温排水的过渠箱涵,温度荷载为控制荷载,结构计算时必须考虑热固耦合作用。2)斜交异型箱涵对荷载呈现明显的三维反应,特别在箱涵的三角区,三维反应更为显著。3)异型箱涵钢筋布置时,应首先确定主拉应力方向,受

11、力筋应尽量沿主拉应力方向排布。4)斜交异型箱涵可根据一定的规则进行简化计算,本文所给出的简化计算导则仅为探讨性的结论,选用时,尚需进行代表箱涵的三维有限元验证计算。5)在同样承载面积下,正交箱涵的承载能力大于斜交箱涵,因此,在工程设计中应尽量避免斜交箱涵的结构形式。参考文献:1 张敬珍.整体现浇的斜板桥的计算方法研究J.华东公路,2003(3):22 24.2 李建春,俞茂宏,范寿昌.简支斜板、菱形板、矩形板和方板极限荷载的统一解析解J.土木工程学报,2000,33(6):76 80.3 刘小强,李宏泉.整体式斜交板桥的受力分析与研究J.西部探矿,2007(10):219 221.4 GB50

12、009 2001,建筑结构荷载规范S.5 DL/T5057 1996,水工混凝土结构设计规范S.D25100D18100D18100竖直向D25100,水平向D18100竖直向D22100,水平向D18100D25100D25100D18100D181005D25100箱涵受力筋应尽量沿主拉应力方向排布,根据异型箱涵的受力特点,其顶板、底板的推荐钢筋排布形式见图2。5 异型箱涵非温度荷载配筋简化计算导则5.1 三角区配筋简化计算底板简化计算5.1.1 顶板、顶板、底板可简化为菱形异型板,斜交箱涵顶板、底板非温度配筋计算可按如下导则简化为二维板壳有限元计算:1)选定分析对象。选出两隔墙(侧墙)间

13、的某跨异型板作为分析对象。2)确定边界条件。隔墙(侧墙)与顶板(底板)交界按固结考虑,支墩与底板交界按简支考虑。3)建立二维板壳有限元分析模型。4)设置分析参数,进行配筋计算。5)设置支座加强筋。箱涵两端设置平行支座的加强筋(根据各工程的实际情况设置,钢筋直径为最大受力筋,根数不少于5根)。FiniteelementmethodanalysisofspecialshapedboxculventandreinforcementreductioncalculationmethodsTANXi hong SUNXiao bing MAZhao rongAbstract:Inordertosolvet

14、hereinforcementofobliquecrossingcanalspecialshapedboxculvertatthepowerplant,three dimensionalfiniteelementcalculationforthermosettingcouplinganalysisarestudiedinthispaper,fromthestudy,instructiveresultsareobtained.Andatthesametime,inordertoseekthemechanicallawofthenon temperatureloadofspecialshapedboxculvert,differentseriesofcalculationsaredone