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中线工程淇河平面管理论文
中线工程淇河平面管理论文 一、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二维有限元结果进行比较分析。
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6x6m2,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，混凝土标号为C30，弹性模量为3.0x107kPa,泊松比为0.167,容重为 25kN/m3；
地基为粘土岩，弹性模量为30000kPa,泊松比为0.3,浮容重为10kN/m3， 饱和容重为20kN/m3，土的内摩擦角为200。倒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。
二、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。
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 型尺寸如图1示。
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=3.0x107kPa，地基为粘土岩，其弹性模量E2=30000kPa，则 E1/E2=1000。对于平面光弹模型，试验是在室温条件下进行的，倒虹结构材料为环氧树脂，其室温弹性模量E1=3.4x106kPa，模型地基材料选用弹性橡胶，其弹 性模量E2=3700kPa，则E1/E2=919≈1000，能够满足试验要求。
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 型的左侧与厚木板粘牢。在地基模型右侧留一小缝与固定的厚木板分开，在微小 缝内铺上光滑的塑料薄膜，保证地基模型的右侧水平位移受到右边厚木板的约束， 但可以产生垂直位移。如下图2示：
三、平面光弹试验 本次试验模拟河道有水、管内无水工况进行加载试验。模型具体尺寸如上 图示，模型用环氧树脂板在铣床上加工而成，模型厚度为8.2mm，经试验测定材 料条纹值为f0=1200kPa/条，模型条纹值为f=146kPa/条・mm，弹性模量 E1=3.4x106kPa。地基为弹性橡胶，弹性模量E2=3700kPa。
模型承受的荷载有垂直土重、水重（不考虑自重）和左右两侧的外水压力、 土压力等，均为分布荷载。为了保证模型产生足够的条纹级数供观测计算，经多 次试验采用原型与模型分布力相似系数Cq=qp/qm=0.7,则作用在模型上的分布荷 载为qm=qp/0.7=1.43qp,qp为作用于原型上的分布系数，经换算模型顶部和两侧所 承受的分布力qm列于下表1中。
表1 qp（kPa） Cq qm（kPa） 垂直水重、土重q上 338 0.7 237 右侧外 水压、土压 Q右上 162 0.7 114 Q右下 202 0.7 142 Q右 182 0.7 128 左侧外 水压、土压 Q左上 180 0.7126 Q左下 237 0.7 166 Q左 209 0.7 146 模型垂直荷载是通过光弹仪加力架的杠杆加力系统实现的；
左右两侧的外 水压力、土压力则是通过拉压传感器和应力测力仪来实现的，整个加力系统如下 图3示。
模型等色线图如图4所示。
将测得的每三个边界应力值和相应的分布荷载值输入计算机，按GKLJ程 序计算矩形框架各杆件的内力和地基反力，并将此次试验结果与平面有限元计算 结果、结构力学计算结果、三维有限元计算结果列于下表2，进行对比分析。
表2 N kN Q kN M kN・m 1 23 4 1 2 3 4 1 2 3 4 左上梁 左端 -830 -798 -698 -567 474 437 686 362 357 292 791 151跨中 -830 -798 -698 -815 17 -18 -40 8 -320 -291 -396 -110 右端 -830 -798 -630 -630 -336 -410 -712 -302 373 205 86486 中上梁 左端 -849 -840 -617 -627 368 331 693 327 328 121 877 50 跨中 -849 -840 -617 -821 37 40 -20 19-242 -218 -392 -195 右端 -849 -840 -617 -616 -394 -419 -705 -333 449 349 881 190 右上梁 左端 -826 -796 -636 -615 500 451709 256 351 277 844 68 跨中 -826 -796 -636 -786 -30 -6 10 -10 -356 -349 -399 -176 右端 -826 -796 -636 -540-462 -442 -710 -320 386 227 860 164 左边柱 上端 -1079 -950 -783 -516 -415 -454 -684 -367 -398 -239 -791 -146 跨中 -1079 -950-783 -768 -67 -10 10 -5 -307 296 396 209 下端 -1079 -950 -783 -579 480 488 859 297 -307 -209 -1032 -123 左中柱上端 -1406 -1301 -1500 -1011 80 61 26 16 170 82 99 -12 跨中 -1406 -1301 -1500 -1378 80 55 26 2 -19 3 278 下端 -1406 -1301 -1500 -1070 80 57 26 7 -105 -80 -69 -3 右中柱 上端 -1407 -1385 -1417 -1016 48 24 16 59119 15 45 -40 跨中 -1407 -1385 -1417 -1384 48 20 16 9 -28 -28 -40 -6 下端 -1407 -1385 -1417 -1086 48 30 1653 -151 -57 -129 3 右边柱 上端 -796 -857 -705 -508 438 397 637 377 336 254 765 174 跨中 -796 -857 -705 -78224 -30 10 11 -220 -165 -257 -186 下端 -796 -857 -705 -635 -416 -456 -732 -329 175 339 732 74 左下梁 左端 -864 -1115-859 -831 -453 -446 -817 -397 -384 -332 -813 -126 跨中 -864 -1115 -859 -1047 17 -18 0 7 342 225 378 157 右端-864 -1115 -859 -794 386 392 686 377 -284 -197 -721 -130 中下梁 左端 -818 -1223 -887 -759 -420 -459 -699 -385 -343 -284 -777-131 跨中 -818 -1223 -887 -946 28 15 -10 9 278 306 392 194 右端 -818 -1223 -887 -711 682 445 680 355 -278-205 -790 -115 由下梁 左端 -678 -1290 -907 -687 -491 -505 -736 -404 -330 -262 -816 -154 跨中 -678 -1290 -907 -892 -39 0 -20
