导流洞进口闸室有限元分析及应力配筋

崔海涛,李 娟,曾 俊,王 伟

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津300222;2.天津普泽工程咨询有限责任公司,天津300204)

0 引 言

某水电站导流洞进口主要由导流洞闸室、工作闸门和启闭机排架等组成。进口底板高程为1 170.0 m,正常运行期水位为1 205.0 m。导流洞进口闸室的结构尺寸如下图1和图2所示。传统的结构力学计算方法对于这种三维空间结构简化较多,难以反映结构的整体作用效果。现行《水工钢筋混凝土结构设计规范》(SL191-2008)[1]对于应力配筋做了简单的介绍,如何合理应用有限元应力结果进行闸室配筋,是一个有实用价值的问题。本文采用ANSYS软件模拟计算闸室在三种工况下的应力和变形,并通过有限元法得到应力对闸室进行配筋计算。

1 导流洞进口闸室计算条件

1.1 计算工况及荷载

根据施工过程中可能出现的不利组合及正常运用情况,选取如表1中所示的3种代表工况。

图1 导流洞进口闸室平面图

图2 闸室A-A剖面图

表1 计算工况和运行条件

计算工况荷载根据水工荷载设计规范确定,计算工况1的荷载主要是结构自重,计算工况2和计算工况3的荷载除了结构自重外,还有上部结构荷载、静水压力和扬压力等。

1.2 计算参数

闸室结构混凝土采用常规C30混凝土。进口开挖后,出露的岩体大部分为弱风化中、下段(Ⅱ、Ⅲ类)岩体,大多呈块状镶嵌结构,闸室底板部位无软弱带存在,岩体以Ⅲ类为主,强度均一,计算中选取的材料物理力学参数见表2。

表2 岩石、混凝土材料计算采用的物理参数

2 导流洞进口闸室有限元分析

2.1 计算模型

闸室的计算范围选取在深度方向15 m岩基深度,在水平方向,闸室左右均取10 m宽基岩,闸室前面取15 m宽基岩,闸室后取30 m宽基岩,其中在闸室与导流洞接口的位置,模拟了部分山坡。

闸室混凝土结构均采用三维8节点solid65混凝土实体单元离散,闸室地基采用solid45单元离散。网格剖分注意混凝土结构的受力特点,在喇叭进口,门槽等孔洞周边和截面发生突变的部位适当加密。闸室有限元模型总单元数为55 828,总节点数为65 557。图3为有限元整体模型包括地基和闸室,图4为闸室有限元计算模型。

图3 闸室及基础有限元计算网格

图4 闸室有限元计算网格

坐标系原点位于闸室底板上侧,顺水流为 x轴正向,垂直水流从右向左为y轴正向。

对于岩体边界,在其垂直面上施加垂直于边界面的链杆,底面边界采用固定边界[2]。

2.2 计算结果

计算结果[3]如表3～表5所示。顶板上最大拉应力为2.05 MPa,边墙上最大拉应力为2.22 MPa,底板上最大拉应力为1.68 MPa。图5～图7分别为顶板、边墙和底板应力、位移等值线图。

表3 3种工况下顶板应力、位移计算结果

表4 3种工况下边墙应力、位移计算结果

表5 3种工况下底板应力、位移计算结果

3 导流洞进口闸室应力配筋

3.1 有限元应力配筋原理

现行《水工钢筋混凝土结构设计规范》(SL191-2008)指出“无法按杆件结构力学方法求得截面内力的钢筋混凝土结构,可由弹性理论分析方法求得的结构弹性主拉应力确定钢筋用量”。但是,对于三维的复杂结构,截面上各点的主拉应力方向是不一致的,因此实际配筋中,很难沿主拉应力的方向布置钢筋,一般近似以x,y,z三个方向应力配筋代替,即按照正应力配筋[4]。

按照主拉应力在配筋方向投影图形的总面积计算在配筋方向的钢筋截面积[5-6]As,并应符合下式要求:

式中:K为承载力安全系数;fy为钢筋抗拉强度设计值(N/mm2);T为由钢筋承担的拉力设计值(N);T=ω b,b为结构截面宽度(mm);ω为截面主拉应力在配筋方向投影图形的总面积扣除其中拉应力值小于0.45ft后的图形面积(N/mm2),此处ft为混凝土轴心抗拉强度设计值(N/mm2)。

图5 闸室顶板第一主应力和位移等值线图

图6 闸室边墙第一主应力和位移等值线图

图7 闸室底板第一主应力和位移等值线图

3.2 闸室应力配筋

根据前述有限元计算的结果,选取3种工况下主拉应力最大的工况来对闸室进行配筋计算。根据计算结果底板和边墙选取工况3(闸门双孔关闭)来进行配筋计算,顶板选取工况2(左孔开启,右孔关闭)来进行配筋计算。

分别在顶板、边墙和底板上选取配筋方向上拉应力最大的断面,把最大拉应力断面上的最大拉应力节点应力值列出,如表6～表9所示。根据表中节点应力可以得到闸室结构在配筋方向上的正拉应力图形[7],如图8所示,图中阴影面积表示正拉应力面积。

表6 顶板下最大拉应力断面节点应力

表7 顶板上最大拉应力断面节点应力

表8 边墙内最大拉应力断面节点应力

表9 底板下最大拉应力断面节点应力

图8 配筋方向上的应力图形

根据计算得到的应力图形对闸室进行配筋,配筋结果见表10。在闸室边墙外侧、中墩和底板上侧由于计算的配筋面积较小,故按照构造配筋。

表10 闸室配筋表

4 结 论

有限元单元法在计算体型大结构复杂的混凝土结构时,有着较大的优越性,尤其是进行空间整体计算更能反映结构空间相互作用的效果。

计算结果说明导流洞进口闸室主拉应力分布区域较广,主要出现在顶板上侧两边区域、顶板下侧中间区域,边墙外侧与顶板和底板相交区域,边墙内侧中间区域和底板下侧区域等关键部位。

采用正应力配筋,可以求出闸室结构沿主要受力方向上的配筋数量,使结构的配筋更加简单和明确。弹性有限元应力配筋通常没有验算混凝土裂缝宽度,如要验算结构抗裂和裂缝宽度还需要进行三维非线性有限元分析[8],进行裂缝控制配筋和优化配筋,但是,弹性应力配筋计算一般满足结构抗裂和裂缝宽度要求。利用有限元计算的应力对闸室进行初步配筋计算,是一种比较快捷的方法,但是还需要提高它的工程实用性。

[1] SL191-2008.水工钢筋混凝土设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2009.

[2] 徐远杰,李健.三板溪水电站泄洪洞进水塔应力与变形分析[J].水力发电学报,2005,24(4):89-93.

[3] 王平,周跃年.二滩水电站泄洪洞进口闸室结构设计[J].水电站设计,2000,16(4):42-46.

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