下承式桁架拱渡槽结构三维有限元分析-论文.pdf

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1、第35卷第4期华北水利水电大学学报(自然科学版)Vo1．35No．42014年8月JournalofNorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower(NaturalScienceEdition)Aug．2014DOI：10．3969／j．issn．1002—5634．2014．04．012下承式桁架拱渡槽结构三维有限元分析陈爱玖，刘莉，王磊，陈萌(1．华北水利水电大学，河南郑州450045；2．长江武汉航道工程局，湖北武汉430014)摘要：下承式桁架拱渡槽是南水北调中线工程中广泛采用的结构形式．采用

2、三维有限元方法，结合南水北调中线工程昭北干下承式桁架拱渡槽结构设计，主要研究分析了两种工况下桁架拱结构的上弦杆、下弦杆和竖杆及上、下横系梁各杆件的应力和位移分布规律．结果表明，桁架拱结构位移和挠度较小，满足现行规范要求；各杆件均处于压应力或拉应力状态，且最大拉、压应力都小于混凝土容许值．关键词：下承式桁架拱；渡槽；应力；三维有限元；位移中图分类号：TV672．2文献标识码：A文章编号：1002—5634(2014)04—0052—05下承式桁架拱渡槽具有拱和桁架的特点，其结以保证结构运行安全，同时为工程设计提供参考依据．构性能好，整体结构刚性大，轻巧美观，

3、是南水北调1昭北干渡槽结构概况中线工程中广泛采用的结构形式．目前对渡槽结构受力性能方面的研究成果多集中于对涵洞式渡昭北干渡槽与南水北调总干渠轴线正交，渡槽槽、预应力多纵梁式渡槽、有肋和无肋的矩形渡槽、总长178．3m(进口段长45．3m、出口段长40m、槽u形渡槽等运用有限元技术进行分析，而对下身段长93in)，其中槽身段中间跨度采用57．4m长承式桁架拱渡槽的桁架结构进行有限元分析研究的的下承式桁架拱．经水力计算槽宽为5．2m、槽内水较少，且在分析中未采用实体单元研究结构的受力深2．40m，槽身高3．0m，侧墙厚0．3m，底板厚性能．为确保该结构设计方案

4、的安全性和可行性，笔0．21TI，进口槽底高程136．3091TI，出口槽底高程者采用三维实体有限元方法对昭北干渡槽的下136．297in，设计过水流量11．731TI／s．下承式桁架承式桁架拱结构进行计算分析，总结该渡槽桁架拱拱结构如图1—2所示．结构的应力与位移分布规律，查找出应力较大的区域，4o04o040040040040040040040040000厂0厂o00厂_砷00厂0图11／2桁架拱结构纵向示意图收稿日期：2014—05—12基金项目：国家自然科学基金项目(51179064，l1372099)；河南省科技厅科技攻关资助项目(1321022

5、10178)作者简介：陈爱玖(1967一)，男，安徽舒城人，教授，博士，主要从事结构工程方面的研究．第35卷第4期陈爱玖，等：下承式桁架拱渡槽结构三维有限元分析53BDBdV，式中：D为材料矩阵；d为单元上微分体积．把各个单元刚度矩阵进行组合，可得整体结构平衡方程组为f：K8，式中：．厂为总的载荷列向量；K为整体结构的刚度矩5600阵；为整体结构所有的节点位移列向量．68oo结构静力分析载荷列向量，为图2桁架拱结构横向示意图f=f；+．厂+，：，桁架拱由两榀桁架和上、下横系梁固端连接组，；：JⅣpdV，成复合刚架．每榀桁架均由上弦杆、下弦杆和竖杆组成，下弦

6、杆为一水平直杆，竖杆由不等长的直杆组，：：IⅣpdS，成．针对桁架拱的受力特点，从最佳受力角度考虑，，：=NP，拟定其结构尺寸为：拱轴线跨度L=57．4m，矢高式中：f；为体积载荷等效节点力；，：为表面载荷等f=12．0m，节间距b=3．0m．上弦杆为二次抛物线效节点力；f：为集中荷载等效节点力；p为单元分曲杆，曲线方程z=4fy(L—y)／，J．各杆件截面尺寸布体力；p为单元分布面力；P为单元分布集中力．(宽×高)为：上弦杆600mm×1200mm，下弦杆600mm×1000mrn，竖杆400mm×600mm，上横系3有限元模型及计算梁400mm×400

7、mm，下横系梁600mm×1000mm．3．1有限元模型根据桁架拱结构本身的特点，纵向桁架下部支撑两桁架拱结构选用ANSYS10．0中的Solid45单元端是简支橡胶支座，为轴对称简支结构．进行模拟，网格采用八节点六面体单元为主，每节点2空间结构的有限元法有3个自由度，共划分57472个单元，84380个节点．其三维有限元网格模型如图3所示．在计算中，下承式桁架拱结构采用实体六面体八节点的三维块单元e．2．1位移模式由单元各节点的坐标和位移形函数，求得六面体单元上任一点的位移为8，=YN．艿=N8，式中：，为单元节点位移向量；Ⅳ为形函数矩阵；为单元节点位移

8、矢量．图3下承式桁架拱有限元模型2．2单元应变及单元应力模型的坐标