孫葉芝

(河北省邢臺市任澤區(qū)水務(wù)局，河北 邢臺 100024)

1 工程概況

迷宮堰作為新型的無閘擋水溢流結(jié)構(gòu)，因其具有構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)新穎、景觀效果好、無上部結(jié)構(gòu)等一系列的特點，在城市河道建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用[1-5]。曲線形迷宮堰作為最為典型的堰形，應(yīng)用最為廣泛，伴隨著工程建設(shè)的需要，迷宮堰擋水高度逐漸由低水頭、小跨度向較高水頭、大跨度方向發(fā)展。因此，為了探究較高水頭下曲線形迷宮堰的結(jié)構(gòu)受力特點，有必要針對較高水頭下不同跨徑比的大跨度迷宮堰的受力特點進行對比分析，以期為后續(xù)工程建設(shè)的實施提供參考。

擬研究工程位于某城市河道中部位置，由于城市規(guī)劃建設(shè)的需要，在河道中部需要建設(shè)擋水迷宮堰，以期為城市提供水系景觀[6-7]。本工程河道寬80 m，初擬采用鋼筋混凝土迷宮堰結(jié)構(gòu)，堰體直墻壁厚0.8 m，底板厚1 m，堰體擋水高度7 m，底板順?biāo)鞣较驅(qū)?2 m，底板垂直水流方向每隔16 m設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，并設(shè)置止水設(shè)施底板坐落在基巖上，典型平面布置圖見圖1。為了研究從結(jié)構(gòu)受力特點方面進行迷宮堰定型設(shè)計，在保證擋水高度和跨度一致的前提下，初擬采用3種不同跨徑比的堰體，開展擋水工況下的結(jié)構(gòu)受力對比分析。

圖1 曲線形及折線形迷宮堰平面圖

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型及材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計方案，按照結(jié)構(gòu)垂直水流方向的分縫設(shè)置情況，迷宮堰順?biāo)鞣较虻装鍖?2 m，垂直水流方向每16 m設(shè)置一道分縫，工程所在部位地勢平坦，地層分布均勻。因此為了計算方便，本文選擇兩個結(jié)構(gòu)縫之間長16 m的典型迷宮堰結(jié)構(gòu)開展研究。

采用有限元軟件，建立該段曲線形及折線形迷宮堰的三維計算模型，見圖2。模型順?biāo)髂Ｐ烷L度為12 m，垂直水流向模型寬度為16 m，邊墻高7 m，該模型中迷宮堰的底板及邊墻等均采用3D實體四面體。結(jié)合工程實際，迷宮堰采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，重度25 kN/m3，彈性模量為3.0e7 kPa，泊松比0.167。

圖2 曲線形及折線形迷宮堰三維模型圖

2.2 邊界條件

為了計算準(zhǔn)確，需要結(jié)合建筑物的實際受力情況，對模型設(shè)置約束及荷載。約束設(shè)置時，以豎直方向為Z軸，在模型的四周XZ、YZ對稱面設(shè)置垂直于對稱面的滾軸約束，在模型底部XY對稱面設(shè)置Z向的固定約束。荷載設(shè)置時，按照結(jié)構(gòu)擋水工況考慮，結(jié)合實際受力情況，考慮結(jié)構(gòu)的自重荷載，并且分別在3種不同跨徑比的迷宮堰上游側(cè)邊墻及底板表面均施加7.0 m的靜水壓力荷載，邊界條件設(shè)置見圖3。

圖3 有限元三維模型圖

3 計算結(jié)果對比分析

3.1 應(yīng)力對比分析

就迷宮堰的混凝土結(jié)構(gòu)而言，抗拉強度是評價結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的主要參數(shù)。通過數(shù)值計算，可以得到不同跨徑比的迷宮堰擋水工況下的大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)云圖，見圖4、圖5。通過對比分析3種迷宮堰的大主應(yīng)力分布情況可知，3種迷宮堰大主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，最大值主要分布在直墻與底板接觸的左右側(cè)根部位置以及邊墻凸點頂部位置，直墻凹點及底板等部位應(yīng)力值相對較低，基本呈現(xiàn)不受拉的狀態(tài)。其中，跨徑比為4.3時，堰體大主應(yīng)力最大值為865.7 kPa，應(yīng)力值大于500 kPa的范圍占比約6.8%；跨徑比為3.5時，堰體大主應(yīng)力最大值為878.2 kPa，應(yīng)力值大于500 kPa的范圍占比約5.9%；跨徑比為3.0時，堰體大主應(yīng)力最大值為788.8 kPa，應(yīng)力值大于500 kPa的范圍占比約5.1%。由此可知，3種不同跨徑比迷宮堰在擋水工況下的拉應(yīng)力均小于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度極值，跨徑比越大，結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)范圍越小，堰體受力越均勻。

圖4 曲線形及折線形迷宮堰大主應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖5 100 kPa以上大主應(yīng)力范圍圖(單位：kPa)

3.2 位移對比分析

通過數(shù)值計算，可以得到不同跨徑比迷宮堰擋水工況下的總位移云圖，見圖6。通過對比分析3種迷宮堰的總位移分布情況可知，3種迷宮堰位移分布規(guī)律基本一致，總位移最大值主要分布在直墻左右側(cè)頂部位置，直墻其他部位以及底板位移較小。其中，跨徑比為4.3時，堰體位移最大值為6.481e-4m，位移值大于5e-4m的范圍占比約32.3%；跨徑比為3.5時，堰體位移最大值為5.179e-4m，位移值大于5e-4m的范圍占比約25.8%；跨徑比為3.0時，堰體位移最大值為5.034e-4m，位移值大于5e-4m的范圍占比約12.9%。由此可知，3種跨徑比的堰體擋水工況下的結(jié)構(gòu)總位移總體偏小，跨徑比越小，翼緣范圍位移越小，但均在毫米級以內(nèi)。

圖6 曲線形及折線形迷宮堰總位移云圖(單位：m)

4 結(jié) 論

伴隨著城市水利景觀事業(yè)的發(fā)展，迷宮堰作為新型的低水頭擋水溢流結(jié)構(gòu)，因其具有構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)新穎、景觀效果好、無上部結(jié)構(gòu)等一系列的特點，在城市河道建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。本文以較高水頭的大跨度迷宮堰為研究對象，借助有限元計算，針對不同跨徑比的迷宮堰擋水情況下的結(jié)構(gòu)受力特點進行計算分析。結(jié)果表明：①應(yīng)力方面。不同跨徑比情況下，大主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力最大值主要分布在堰體上游側(cè)直立邊墻與底板接觸區(qū)域，最小值主要分布在直立邊墻頂部區(qū)域，跨徑比越大，結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)范圍越大小，但均小于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度極值。②位移方面。不同跨徑比情況下，位移分布規(guī)律基本一致，位移最大值主要分布在堰體上游側(cè)直立邊墻頂部左右翼緣區(qū)域，最小值主要分布在直立邊墻根部區(qū)域，跨徑比越小，翼緣范圍位移越小，但均在毫米級以內(nèi)。