倒虹吸南水北调

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1、南水北调中线工程淇河倒虹吸平面光弹模型试验王灿（河南省水利勘测设计院，河南郑州450008）摘要：介绍淇河倒虹平面光弹模型的模型设计及模拟河道有水、管内无水工况进行加载试验，并将试验结果与结构力学和二维有限元结果进行比较分析。通过试验说明，对于多跨大型框架结构，采用平面有限元进行计算较为合理。关键词：平面光弹模型试验；模型设计；边界条件；二维有限元中图分类号：TV32文献标识码：B文章编号：1672-1683（2004）05-0017-03InvertedSiphonPlanePhotoelasti

2、cModelTestofQiheRiverinSouth-to-NorthWaterTransferProjectWANGCan(HenanProspecting&DesigningInstituteofWaterConservancy,Zhengzhou450008,China)Abstract:ThearticleisbrieflyintroducedtheplanephotoelasticmodelofQiheriverinvertedsiphonandthetestwithloadonsim

3、ulationofwaterinrivercourseandwithoutwaterinpipe,comparingandanalyzingtheresultswithstructuralmechanicsandtwo-dimensionalfiniteelementresults.Illustratingthatastothismulti-spanlargeframestructure,itisrelativelyrighttoadoptplanefiniteelementforcalculati

4、on.Keywords:theplanephotoelasticmodelexperiment；Analysismethod；finiteelement1概述南水北调中线工程为一等工程，倒虹为1级建筑物，对结构设计和计算要求很高，因此需要进行物理模型试验，进一步明确倒虹结构管道的应力状态，使设计和计算更为合理。河南省水利勘测设计院曾与原郑州工业大学合作进行了淇河倒虹吸光弹模型试验，现仅简介平面光弹模型试验。平面光弹模型试验的主要目的是：模拟河道有水、管道无水情况进行加载试验，并将试验结果与结构力学和

5、二维有限元结果进行比较分析。2淇河倒虹工程概况：淇河倒虹吸为特大型工程,倒虹管身断面为6孔,每孔断面为6x6m,以三孔为一联分成两联，顺水流方向每节管长为15m。管身材料为钢筋混凝土，混凝土标号43为c30，弹性模量为3.0x10MPa,泊松比为0.167,容重为25kN/m；地基为粘土岩，弹性模量330为30MPa,泊松比为0.3,浮容重为10kN/m，饱和容重为20kN/m，土的内摩擦角为20。倒收稿日期：2004-03-15作者简介：王灿（1966-），男，河南省水利勘测设计院高级工程师，主要

6、从事水利工程设计，完成南水北调中线工程玉带渠交叉渠倒虹吸的初设工作。1虹吸管管身修建时采用先开挖，修建完成后回填土，管顶填土厚度为2.6m，考虑到倒虹结构本身为对称结构，地基比较均一，承受的荷载基本也是对称，因此取一联计算。2模型设计倒虹结构管道模型采用环氧树脂材料，模型的边界条件与数学模型采用相同的边界条件，即取对称轴为边界条件按一联考虑。2.1模型比尺平面光弹模型是在室温条件下进行试验，试验模型的尺寸，主要由加力架尺寸和杠杆加力系统来决定的，经过比较，决定平面光弹模型比尺为1：125.模型尺寸如

7、图1示。图1单位:mm图1倒虹结构管道模型2.2地基模型材料选择对于光弹模型试验，为了保持其应力状态与原型一致，要求倒虹结构模型与地基的弹模4比与原型倒虹结构与地基的弹模比一致。原型倒虹结构为钢筋混凝土，其弹性模量E1=3.0x10MPa，地基为粘土岩，其弹性模量E2=30MPa，则E1/E2=1000。对于平面光弹模型，试验是在3室温条件下进行的，倒虹结构材料为环氧树脂，其室温弹性模量E1=3.4x10MPa，模型地基材料选用弹性橡胶，其弹性模量E2=3.7MPa，则E1/E2=919≈1000，

8、能够满足试验要求。2.3模型的边界条件为了充分保证地基对结构的影响，地基深度为模型高度的1.5倍，左边地基长度为模型长度的1.5倍。在倒虹结构计算中取一联计算，其地基边界条件为，倒虹结构右边为对称面，地基不产生侧向位移，但可以产生垂直位移；而倒虹结构左边地基长度为1.5倍的倒虹结构长，可以认为增载引起的应力趋于0；而地基深度为1.5倍的倒虹结构高度，可以认为该处的水平变位和垂直边位均为0。为了达到上述的边界要求，在地基模型左侧和底部采用厚木板强制约束，并将地基模型的左