大型复杂启闭机排架结构的优化设计

赵桂连，张清琼，唐碧华

随着我国西部水电开发的深层推进，越来越多的大中型水电站设置了规模较大的长条形调压室，且调压室内布置有检修或快速闸门及其启闭设备。作为安装与承载该启闭设备的启闭机排架结构为多跨连续体型，往往规模巨大，且由于启闭设备为移动式，排架结构的受力条件较为复杂。若电站处于高地震区域，该排架结构的受力分析就更为繁复。因为这些因素，目前一些已建工程的启闭机排架结构往往断面尺寸极大，钢筋布置也极强，不太合乎工程设计的经济性。鉴于此，本文依托大岗山水电站的尾水调压室启闭机排架结构设计，对大型复杂启闭机排架结构的优化设计进行初步探讨。

1 结构尺寸初拟

大岗山水电站尾水调压室为地下埋藏式，平面呈长条形，宽22.5m，长129.70m(包括1号、2号调压室长度及岩柱隔墙宽度)。调压室上游侧设四扇尾水管检修闸门，检修闸门槽置于尾水闸墩内，闸墩顶部以上空间布置移动式启闭机排架结构。该排架结构由1号排架、2号排架及简支梁组成。1号排架对应于1号调压室，2号排架对应于2号调压室，简支梁置于岩柱隔墙顶部隔墙柱上，用于连接1号、2号排架。1号、2号排架对称布置，均由主梁、纵撑、横撑、排架柱及隔墙柱组成。排架柱高23.7m，其基础置于尾水闸墩上；隔墙柱高6.55m，置于岩柱隔墙顶部基础上。排架柱竖向分三层布置，层间高差7.5m/7.5m/8.7m；纵向分四跨，跨长6.35m/17.0m/17.0m/19.75m(为初拟值)。

参考同类工程初拟该排架结构尺寸：主梁断面1.2m×2.0m，最大跨度19.75m；纵撑断面1.0m×1.2m，最大跨度17.0m；横梁断面寸1.0m×1.2m，跨度5.0m；排架柱断面1.5m×1.3m，高23.7m；隔墙柱断面2.0m×1.5m，高6.55m。

2 计算手段与模型

为较全面地对该排架结构进行优化设计，本文借助平面PKPM和三维有限元两种计算手段进行分析。

取1号排架为研究对象，相应的PKPM三维建模如图1所示。假定排架柱固结在闸墩和岩柱隔墙基础上，为减少排架结构对调压室高边墙的影响，将简支置于调压室左右两端边墙上的主梁假定为悬臂结构，则该排架结构的其中一榀排架的平面计算简图如图2所示。

三维有限元计算模型如图3所示。采用实体单元solid45模拟，网格离散时考虑应力梯度较大问题，平均单元边长0.4m左右，单元总数为30 860，最大求解自由度总数为123 555。

3 荷载与计算工况

作用于该启闭机排架结构的荷载主要有：

(1)永久作用荷载：①排架结构混凝土自重；②由人行通道挑板混凝土产生的均布扭矩；③1号、2号调压室排架间的简支梁偏心作用于排架的重量。

(2)一般可变作用：①排架主梁和人行通道挑

图1 调压室启闭机排架的PKPM三维建模

图2 调压室启闭机排架的PKPM平面计算简图

图3 调压室启闭机排架的ANASYS三维离散模型

板上人群荷载，取4kN/m2；②由人群荷载产生的均布扭矩。

(3)可控制的可变作用：台车起吊闸门时的轮压或者台车行走时的轮压。

(4)偶然作用：大岗山枢纽工程区地震设防烈度为Ⅷ度，50 年超越概率5%的地震水平加速度为336.4cm/s2；地下建筑物地震荷载折减50%，因此取地震水平加速度0.17g。

相应的计算工况主要有：

(1)闸门起吊工况：荷载为“(1)+(2)+(3)”，此工况下台车轮压处于排架主梁的固定位置；

(2)台车行走工况：荷载为“(1)+(2)+(3)”，此工况下台车轮压可处于排架主梁的任何位置，从结构安全角度出发，针对排架结构的每一梁跨，分别拟定3个工况，即台车行走轮压置于梁跨跨中、左右端点等3个位置。

(3)地震工况：荷载为“(1)+(2)+(3)+(4)”。

4 PKPM优化计算与分析

由于三维有限元建模较为复杂，在不明确排架结构尺寸是否完全合理的情况下，本文先采用平面PKPM进行初步计算与优化分析。

4.1 初拟结构尺寸计算结果

初拟结构尺寸下的排架平面PKPM计算结果见表1、2。从该结果看，由于排架规模较大，梁和柱(尤其端部梁和隔墙柱)的配筋偏大，有必要对排架结构尺寸进行优化。

4.2 排架结构尺寸优化

4.2.1 端部梁跨度优化

从原结构尺寸计算成果可见，端部梁比边跨梁长2.75m，但配筋增幅比例达28%，有必要进行跨度优化。将隔墙柱向调压室端墙一侧移动即可减少端部梁跨度，但同时也会增加简支梁跨度，因此优化端部梁跨度时，也应复核简支梁的结构。表3为端部梁跨度减小1.2m前、后的主梁及简支梁计算结果。由此结果看，端部梁减少的配筋量比简支梁增加的配筋量多，说明端部梁跨度减小1.2m是可行的。

表1 主梁配筋计算结果(初拟结构尺寸)

表2 柱配筋计算结果(初拟结构尺寸)

表3 主梁配筋计算结果(减小端部梁跨度)

4.2.2 主梁断面尺寸优化

从表3配筋成果可见，主梁配筋仍然偏大，究其原因是主梁荷载主要由梁自重和启闭荷载两部分构成，而自重所占比重较大，因此需对主梁尺寸进行优化。优化原则是梁宽要满足上部轨道二期混凝土尺寸及埋件布置要求，在原结构尺寸的基础上，另拟定两个断面尺寸，相应的配筋计算结果见表4(仅取端部梁)。由此结果看，主梁断面尺寸取1.0m×2.0m(宽×高)较优。

4.2.3 隔墙柱断面尺寸敏感性分析

隔墙柱尺寸优化原则，主要考虑置于其上部的简支梁的尺寸布置要求，满足轨道二期混凝土和埋件布置要求最小宽度为1.0m，同时考虑横向嵌固厚度尺寸。表5为三个隔墙柱断面尺寸的配筋计算结果。由此结果看，隔墙柱断面尺寸取1.5m×1.5m(宽×高)较为合适。

4.2.4 优化结果

经前述一系列优化计算，排架结构优化之后的主梁混凝土量、钢筋量分别减少40.48%、6.72%，柱混凝土量、钢筋量分别减少3.10%、2.15%(见表6)。

5 PKPM与ANASYS对比分析

根据前文分析成果，大岗山调压室排架结构尺寸可确定为：端部梁跨度18.55m，主梁断面尺寸1.0m×2.0m(宽×高)，隔墙柱断面尺寸1.5m×1.5m(宽×高)，其它部位维持原结构尺寸。对于该优化结构，表7～9分别给出了平面PKPM与三维有限元的计算成果。

表4 端部梁不同断面尺寸的配筋计算结果

表5 隔墙柱不同断面尺寸的配筋计算结果

表6 优化与初拟结构配筋比较

表7 主梁配筋计算结果(优化结构尺寸) mm2

表8 柱配筋计算结果(优化结构尺寸) mm2

表9 纵、横撑配筋计算结果(优化结构尺寸) mm2

从表7～9的结果看，平面PKPM与三维有限元的计算成果规律基本一致，且后者的结构配筋计算面积普遍小于前者，只有两种情况下结果相反：(1)隔墙柱在靠简支梁一侧的计算配筋；(2)横撑的计算配筋。采用平面PKPM计算时发现，地震荷载对主梁与纵撑的影响较小，而对排架柱、隔墙柱及横撑的影响较大，上述两种情况的平面PKPM计算结果正是发生在地震工况下。鉴于三维有限元计算模型对地震工况的模拟及对部分因素的考虑更全面，两种情况的配筋取三维有限元成果较为符合实际。

6 结 语

对大型复杂启闭机排架结构进行设计时，通常先根据同类工程初拟结构尺寸，因该尺寸往往比较大，可按以下步骤进行优化设计：

(1)PKPM是专门用于框、排架结构设计的计算分析工具，且易为广大工程设计人员所掌握，因此，先利用平面PKPM对排架各个部位的结构断面或跨长进行敏感性分析，以优选经济合理的结构尺寸。

(2)此类排架结构的重要性是不言而喻的，因此采取多种计算手段进行对比分析很有必要。三维有限元作为一种通用性较强的结构分析方法，其计算成果是可靠的，尤其是对地震工况的模拟。因此，在利用平面PKPM优化确定排架结构尺寸之后，可对比分析平面PKPM与三维有限元的成果，以选取合理、经济的结构配筋，为工程技施设计提供有力依据。