周潤　陳玲　張振東　葉永

摘 要：渡槽是架設(shè)于山谷、洼地、河流之上，用于通水、通行和通航的水工建筑物。設(shè)計制作斜拉式渡槽模型，進行了模型結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)力計算。通過模型承水和承砂實驗，得出結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形和塑形變形的分界荷載及達到破壞條件的極限荷載，然后利用結(jié)構(gòu)求解器對固定荷載作用下最有可能發(fā)生破壞的點進行驗算，均能滿足強度條件，驗證了模型設(shè)計的可行性。

關(guān)鍵詞：斜拉式渡槽 模型設(shè)計 實驗 應(yīng)力分析

中圖分類號：TV672 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0078-02

1 模型設(shè)計

斷面的設(shè)計：結(jié)合相關(guān)水力學(xué)[1]知識和實驗的最大流量，通過計算最終設(shè)計出槽深mm，寬度mm，槽身長度mm的矩形斷面渡槽。

支撐形式的設(shè)計：考慮模型的美觀性，模型每一端的斜拉索為10根，整個模型共有40根，每個拉索之間的距離為38mm[1]。為了減小桿端彎矩，選擇了外伸梁的方式[2]，將主支撐桿離桿端的距離設(shè)計為228mm。得出模型的設(shè)計圖（圖1）。

2 模型實驗

2.1 承水實驗

模型制作完成后進行承水實驗，由于渡槽槽身是由白卡紙制作完成的[3]，為了防止水浸濕白卡紙而降低模型的承載能力，故在槽身上鋪設(shè)一層防水膜。實驗前，稱得模型和防水膜的總質(zhì)量為511.2g。采用梯級加載的方式，并設(shè)置如圖1所示的A、B、C、D、E五個位移控制點，邊加載邊記錄位移數(shù)據(jù)[5]。

模型的兩端同時緩慢加水，每次加入2kg的水，直到加入水的質(zhì)量為8kg之后才能測出位移，于是從10kg開始每次加入5kg的水，待水在模型中穩(wěn)定后仔細測出模型位移控制點到基準面的距離。當加入水的總質(zhì)量達到24kg時，此時渡槽已經(jīng)被水裝滿不能夠再繼續(xù)加載。表1是渡槽主梁中點處隨所加水質(zhì)量的增加的位移值。

承水實驗結(jié)束卸掉荷載之后，再次測量渡槽中心點處的位移，發(fā)現(xiàn)為0，恢復(fù)到之前的位置。猜想模型在承水實驗中發(fā)生的變形是彈性變形。

2.2 承砂實驗

為了進一步測試模型的承載能力，換用了密度更大的鐵砂來做承砂實驗。重復(fù)承水實驗的操作，進行承砂實驗。表2是渡槽在承砂實驗中主梁中點處的位移值。

當鐵砂質(zhì)量達到52kg時，模型發(fā)生了較大的變形，故停止加載，并推測模型的極限荷載>52kg。承砂實驗結(jié)束卸除掉荷載之后可以明顯看到在斜拉式渡槽模型上有不能恢復(fù)的變形，說明模型在承受52kg荷載時發(fā)生了塑性變形，為了驗證這個結(jié)論，同樣利用MATLAB軟件畫出了實驗數(shù)據(jù)的散點圖，如圖2所示，并通過回歸分析，分別選定一次和二次線型擬合。通過對比發(fā)現(xiàn)二次曲線的相關(guān)系數(shù)更大，達到了0.985 3，說明選用二次曲線擬合的效果更好。

通過以上分析可以得出結(jié)論：模型在承受30kg以上的重量時發(fā)生了塑性變形，可以將30kg作為模型彈性變形與塑形變形的分界荷載。

3 模型計算

3.1 模型建立

在結(jié)構(gòu)求解器中建立斜拉式渡槽的模型[4]，共建立38個節(jié)點，56個單元。主支撐下桿端為鉸接，上端自由；主梁的兩端為自由。在實驗中斜拉式渡槽模型承受的最大重量是52kg，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器模型中的均布荷載為254.8N/m。經(jīng)過計算，梁和桿的抗拉剛度為226 000N/m，抗彎剛度為1.83N/m，而拉索的抗拉剛度為1 302N/m，抗彎剛度。建立如圖3所示的結(jié)構(gòu)求解器模型。

3.2 應(yīng)力校核

（1）主梁應(yīng)力校核。

（2）支撐桿應(yīng)力校核。

（3）拉索應(yīng)力校核。

3.3 位移計算

把三維斜拉式渡槽模型簡化為平面二維圖形，并通過結(jié)構(gòu)求解器建立模型畫出整個結(jié)構(gòu)在承受最大荷載時的位移圖，如圖4所示。

由變形可以得出主梁上的變形呈現(xiàn)“中間大兩邊小”的特征，并且主梁中心點的位移是向下的，而主梁兩端點變形是向上的。在結(jié)構(gòu)求解器中求得5個位移控制點的位移[5]，并且與實驗中測得的位移控制點的變形值進行對比，具體見表3。正號表示位移向上，負號表示位移向下。

由于結(jié)構(gòu)求解器是將空間三維問題簡化為平面二維問題來解決的，所以結(jié)構(gòu)求解器與實驗結(jié)果對比是存在誤差的，但是在極限荷載之前的誤差是在允許范圍內(nèi)的。

4 結(jié)語

斜拉式渡槽通過拉索的作用，可以有效地改善渡槽主縱梁的受力和變形條件，使得渡槽可以承受更大的荷載，并且渡槽具有美觀性，在實際中具有很大的可用性。在此次研究中，渡槽模型的實驗值和結(jié)構(gòu)求解器中的求解值的誤差在允許范圍之內(nèi)，說明模型的制作及相關(guān)計算是準確的。通過模型的理論計算和實際加載實驗，得出渡槽的極限荷載約為52kg，破壞點為主梁中點截面的下邊緣，此時最大的位移量10mm。模型在實驗的過程中先發(fā)生彈性變形，再發(fā)生塑性變形，并且彈性變形與塑性變形的分解荷載時30kg。

參考文獻

[1] 吳持恭.水力學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

[2] 林繼鏞.水工建筑物[M].5版.北京：中國水利水電出版社，2008.

[3] 梅華，賈存坤，周曉霞.斜拉式渡槽設(shè)計[J].西北水利發(fā)電，2006（S1）：50-51.

[4] 王漢杰.玉柱斜拉式渡槽設(shè)計與施工[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1991（1）：64-69.

[5] 崔心貝.斜拉式渡槽應(yīng)用中的若干問題[J].水利水電技術(shù)，1988（8）：49-53.