2018年第37卷第3期·DWRHE水利水电工程设计
基于有限元法的带横撑
不锈钢精密冲压
于茂王浏刘赵晓露
摘要U型槽结构广泛应用于现代调水工程，如倒虹吸的进出口段、渡槽段或明渠段，一般均采用类U型结构形式。U 型槽结构受力状态主要受侧墙内外荷载的组合作用的影响，横撑结构对侧墙的变形控制作用不可忽略。常规结构设计时往往将U型槽的横撑作为安全裕度处理，导致不能真实反映带横撑U型槽结构真实受力性能，结合鄂北工程中的典型U型槽结构进行基于有限元法的结构受力分析与配筋计算，为同类型结构的设计提供参考。 关键词鄂北工程U型槽有限元应力变形配筋
中图分类号TV672文献标识码B文章编号1007-6980（2018）03-0053-03
U型槽结构是国内外水利工程中被广泛应用的一种过水结构，如水闸、倒虹吸进水口结构、明渠结构[1]及溢洪道闸室结构[2]等，在节水灌溉工程中预制U型槽结构也逐渐被推广应用[3]。同时，U 型槽结构具
有刚度大、变形小、稳定性好、收坡支挡防水效果优良等优点，可广泛应用于下穿铁路通道设计[4]、铁路路堑工程[5]等市政工程中。
鄂北工程中倒虹吸进出口、明渠等结构中均采用了带横撑U型槽结构形式。湖北省鄂北地区水资源配置工程是从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，向沿线城乡生活、工业和唐东地区农业供水，解决鄂北地区干旱缺水问题的一项大型水资源配置工程。线路总长度269.67km，输水干渠设计流量38.0～1.8m3/s。工程主要建筑物由取水建筑物、明渠、暗涵、隧洞、倒虹吸、渡槽和节制闸、分水闸、检修闸、退水闸、放空闸阀、排洪建筑及王家冲扩建水库等组成，工程规模为Ⅱ等大（2）型，主要建筑物级别为2级或3级，次要建筑物为3级或4级。本次计算的带横撑U型槽结构按照建筑物3级、环境类别2类进行设计。
本文依托鄂北工程中带横撑U型槽结构典型工程实例，运用MIDAS GTS NX有限元软件，以侧墙高度作为控制因素，选择不同侧墙高度的典型断面进行结构变形、应力及配筋计算，为带横撑U型槽结构的配筋设计提供相关参考。
1计算方法
1.1U型结构内力的有限元计算方法
在有限元分析中，U型槽的侧墙、底板及横撑结构采用梁单元模拟，U型槽与地基之间的作用关系采用仅受压的地基弹簧单元进行模拟，横撑结构采用遵循考虑间距的截面刚度原则的梁单元进行模拟，并在结构上施加相应荷载进行结构计算及内力分析。MIDAS软件有多种模拟岩土及结构的材料本构模型。考虑在本次计算中以计算结构的受力为主，宜采用弹性材料本构，因此，混凝土结构采用各向同性弹性材料进行模拟。地基则采用仅能考虑受压的弹性弹簧材料。
1.2配筋计算
U型槽结构截面主要以压弯受力为主，配筋及裂缝计算主要参考SL191—2008《水工混凝土结构设计规范》，按b=1000mm，h=壁厚的矩形压弯构件进行配筋计算，计算内容包括正截面受压承载力计算、正截面抗裂验算及正截面裂缝宽度验算等内容。
2计算条件
2.1计算模型
U型槽结构的典型结构断面如图1所示，侧墙厚度0.9m，底板厚度1.0m，侧墙高度变化范围为4.7~10.2m，横撑截面长×宽=0.4m×0.4m，间距2.8m。以侧墙高度作为控制因素，选择侧墙高度（横撑中心线至底板中心线竖直距离）为6.84m及9.5m的典型断面，进行典型结构计算。内水水头分别为
6.0m 及8.5m，外水分别为无外水及4.6m，侧墙外填土高度与侧墙高度齐平。如图2所示，以梁单元定义底
板、梁单元定义边墙，建立梁单元模型，分别对型
图1U型槽结构典型断面
·
·53
水利水电工程设计DWRHE ·2018年第37卷第3期
槽的边墙和底板的应力、位移进行分析。计算中横撑结构典型尺寸均为：中心间距2.8m ，横撑截面尺寸为0.4m ×0.4m 。槽身混凝土结构等级为C25W6F150，结构钢筋采用Ⅲ级钢筋。混凝土的弹性模量2.8×104MPa ，容重25kN/m 3，混凝土保护层采用50mm ，最大裂缝宽度允许值采用0.3mm
。
图2U 型槽结构有限元分析模型
2.2
计算参数
水工建筑物等级为3级；环境条件类别为二类，混凝土结构构件的承载力安全系数K 取1.2，混凝土标号C25，容重25kN/m 3，弹模2.8×104MPa ，泊松比0.167；回填土容重19.6kN/m 3，摩擦角11.8，黏聚力0，底板岩基弹抗为1000MPa/m 。2.3计算荷载及工况
本次计算选取的计算工况主要有：
（1）工况1：完建工况，自重+土压力；
（2）工况2：运行工况，自重+土压力+内水压力+外水压力；
（3）工况3：检修工况，自重+土压力+外水压力。其中，U 型槽侧墙外的侧向土压力按静止土压力计算，内水压力、外水压力为沿水位高度呈三角形分布的梯度荷载。侧墙高度为6.84m 断面处地下水在底板以下，侧墙高度为9.5m 断面处地下水较底板底面高出4.7m ，采用土水分算方法。3
带横撑U 型槽结构的变形与受力分析
侧墙高度6.84m 条件下的带横撑U 型槽结构的
变形及受力情况如图3~6所示。汇总侧墙高度6.84m 及9.5m 两种条件下结构的变形及受力情况见表1。可以看出，在多种荷载的组合作用条件下，U 型槽结构的最大变形（在图中以Max 标记）在0.55~1.55mm 之间，结构最大拉应力（在图中以Max 标记）在0.41~3.25MPa 之间，因此，U 型槽结构应按照限裂结构进行配筋设计。且从结构的内力分布可以看出，U 型槽结构侧墙中部、侧墙底部、底
板端部及底板中部等截面是配筋设计需重点关注的区域。
图3总变形（单位：m ）
图4结构受力状态（单位：Pa ）
图5轴力图（单位：N ）
Max:0.000754247
Min ∶0.000670708
Min ∶0.000384951
Max ∶0.000547131
Max ∶0.0L ∶769542，1.0L ∶772382Min ∶0.0L ∶-1.18369e+006，1.0L ∶-978516
Min ∶0.0L ∶-769542，1.0L ∶-772382
Max ∶0.0L ∶1.18369e+006，1.0L ∶978516
Max ∶0.0L ∶-6025.03，1.0L ∶-2331.43
Max ∶0.0L ∶-6025.03，1.0L ∶-2331.43
Min ∶0.0L ∶-171981，1.0
Min ∶0.0L ∶-150075，1.0L ∶-146382
Min ∶0.0L ∶-103888，1.0L ∶-104272
Max ∶0.0L ∶134726，1.0L ∶159798
Max ∶0.0L ∶29378，1.0L ∶54798
·
·54
于茂等·基于有限元法的带横撑U型槽结构受力分析与配筋计算
表1带横撑U型槽结构变形及受力情况统计
侧墙高度/m）6.84 9.50
工况
完建
（检修）
运行
完建
检修
运行
最大水平
变形/mm
0.31
侧墙中部
0.03
侧墙中部
1.31
侧墙中部
1.52
侧墙中部
0.21
侧墙中部
最大竖向
变形/mm
0.46
底板中部
0.75
横撑中部
0.62
底板中部
0.45
底板中部
0.81
侧墙顶部
最大总变形/
mm
0.55
侧墙中部
0.75
横撑中部
1.42
侧墙中部
1.55
侧墙中部
0.83
侧墙中部
内侧最大拉
应力/MPa
0.77
侧墙中部
0.46
底板中部
1.92
侧墙中部
磁性相框
2.17
侧墙中部
0.41
底板中部
内侧最大压
应力/MPa
1.18
侧墙底部
0.41
侧墙底部
2.74
侧墙底部
3.25
侧墙底部
0.83
侧墙底部
外侧最大
拉应力/MPa
1.18
侧墙底部
0.41
侧墙底部
2.74
侧墙底部
3.25
侧墙底部
0.83
侧墙底部
外侧最大压
应力/MPa
0.77
侧墙中部
0.46
底板中部
1.92
侧墙中部
2.17
侧墙中部
0.41
底板中部
最大弯矩/
（kN·m）
159.8
侧墙底部
76.3
底板中部
369.3
侧墙底部
438.9
侧墙底部
111.7
侧墙底部
最大轴力/
kN
172.0
底板
150.1
侧墙底部
276.0
底板
364.6
底板
207.5
侧墙底部图6弯矩图（单位：kN·m）
4U型槽结构配筋及裂缝验算
综合考虑结构运行期及检修期内的受力特征，分别对U型槽底板、侧墙进行配筋计算，并对构件典型
断面上的裂缝宽度进行验算。如图5、6所示，侧墙高度为6.84m时，运行工况下，底板单位宽度内的截面弯矩标准值为76.3kN·m，轴力标准值为35.7kN，考虑荷载分项系数、结构重要性系数及状态系数等影响，设计值按照标准值的1.2倍计，进行结构配筋计算，最终计算配筋为构造配筋，因此，按照0.2%的最小配筋率进行构造配筋，所得配筋结果为底板上下对称配筋、单侧配筋为5d20。其它部位配筋计算方法相同，带横撑U 型槽的配筋计算结果见表2。U型槽结构长期处于水下，为二类环境条件，最大裂缝宽度允许值
0.30mm，经计算，各部位裂缝宽度均能满足限裂要求。在U型槽结构实际配筋设计时以配筋计算结果为依据，按照结构承载要求及构造要求进行配筋设计，并保证构件的配筋率不小于配筋计算所得的配筋率。
5结语
本文结合鄂北工程，对选定的带横撑U型槽结构进行了多工况下的有限元分析，对结构的受力、变形规律进行了研究，同时在侧墙、底板结构的内力、配筋及裂缝宽度方面展开计算。根据计算结果，U型槽结构力学性能满足规范要求，结构尺寸和配筋合理。
同时需注意，U型槽虽然结构形式较简单，但在计算中应考虑多荷载的组合工况，对侧墙底部应力集中区域应采取必要的构造措施进行加强处理，必要时应设置足够的构造钢筋。在U型槽的设计计算中，
需对模型进行有必要的简化，建立合理的计算模型（例如不应忽略横撑结构的支撑作用），才能真实把握结构受力状态。
参考文献
［1］徐俊.河道U型槽变形破坏及其加固设计［J］.黑龙江水利，2016（03）：76-78.
［2］赵宇禄，王军.溢洪道闸室U型槽的结构计算［J］.黑龙江水利科技，2010（02）：96-97.
［3］王亚坤.U型槽结构在某下穿铁路通道的设计与应用［J］.城市道桥与防洪，2017（03）：124-126.
［4］祝小靓，徐镇凯，傅琼华.U型槽有限元分析［J］.江西水利科技，2011（04）：257-260.
［5］周杨.地下水路堑中U型槽混凝土结构的设计和计算［J］.铁道建筑技术，2012（S1）：164-166.
作者简介
于茂男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222
王浏刘女工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222
赵晓露女工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222
（收稿日期2018-05-10）
表2带横撑U型槽配筋及裂缝验算成果
侧墙高度/m 6.84
9.50
构件
底板
厚1.0m
侧墙
厚0.9m
底板
厚1.0m
侧墙
厚0.9m
截面
端部
跨中
底部
顶部
端部
跨中
底部
顶部
工况
完建（检修）
运行
完建（检修）
动力电池模拟电源运行
完建（检修）
运行
完建（检修）
运行
完建
检修
运行
完建
检修
运行
完建
检修
运行
完建
检修
横向切片
运行
计算配
筋面积/
mm2
428
288
构造
377
541
45
442
27
1106
1240
414
299
400
237
1513
1897
310
1140
1328
160
选配钢
筋对称
配筋
5d20
5d20
5d20
5d20
5d18
5d18
5d18
5d18
5d20
5d22
5d20
5d20
5d20
5d20
5d25
5d28
5d25
5d20
5d22
5d22
是否满
足抗裂
要求
是
是
是
是
是
是
是
是
是
是
是
是
是
是
否
否
是
是
是
是
裂缝
宽度/
mm
—
—
—
—
—
—
—
—
—
搓齿机—
—
—
—
—
0.251
0.257
—
—
—
—
是否
满足
要求
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
是
是
—
—
特种设备检验检测人员管理系统
—
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