SAP2000在隧洞衬砌结构计算中的应用

杨建东

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)01—0106—03

SAP2000在隧洞衬砌结构计算中的应用

杨建东

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

以某工程引水隧洞混凝土衬砌断面为例，运用SAP2000程序软件对其衬砌结构进行计算分析。经工程实际验证，计算结果基本合理可信，可用于工程设计。

隧洞；衬砌；结构;SAP2000

1 工程概况

某水电站工程为引水式电站，设计引用流量14.45 m3/s，引水隧洞上平段采用圆形平底断面，内径3.5 m，衬砌后底宽约2.45 m，如图1所示。隧洞上平段岩体以Ⅳ类为主，局部Ⅴ类围岩，岩体多处于强风化带或强全风化过渡带内岩体，岩性为浅灰、浅灰绿色、杂色安山质晶屑岩屑凝灰熔岩、变质安山岩。

水工隧洞衬砌结构计算是一个比较复杂的问题，到目前为止工程界也没有找到最合理的计算方法，笔者用SAP2000软件对该水电站引水隧洞衬砌结构进行计算分析[1,2]。

2 结构计算

SAP2000软件由美国CSI(Computers & Structures Inc.)研制开发，属于结构有限元通用分析软件；在桥梁、大坝、工业结构、房屋结构等土木工程中广泛使用。

2.1 计算模型及基本假定

(1) 在垂直水流方向切取单位宽度的横剖面，按平面结构计算；

(2) 不考虑温度荷载；

图1 引水洞混凝土衬砌断面图 单位：mm

(3) 配筋计算根据概率极限状态设计原则，分别按承载力和正常使用极限状态进行计算；

(4) 建模过程中，将拱圈和底板均划分为若干梁单元，节点位置沿径向施加“缝单元”约束，缝单元可以模拟混凝土与基岩间的连接作用(仅受压时起作用)。单元的刚度系数即为围岩弹性抗力系数，本计算根据地质报告建议值，取k0=1.5×105kN/m3。

结合上述基本假定及结构布置情况，建立引水隧洞结构计算模型，如图2所示。

图2 引水洞断面模型简图

2.2 荷载及工况组合

2.2.1 荷 载

隧洞结构所承受的荷载主要包括自重、内水压力、外水压力、围岩压力和灌浆压力等[3]。

(1) 自重：结构的自重，由程序自动计算。

(2) 内水压力：包括静水压力和水锤压力。根据引水洞布置，上平段正常运行工况下设计水头34.4 m，非常运行工况下设计水头38.6 m。

(3) 外水压力：根据地下水位取值，水头为42.3 m。

(4) 围岩压力：按照荷载规范取值，包括垂直压力和水平压力。

(5) 灌浆压力：对混凝土衬砌段，回填灌浆压力取0.3 MPa，灌浆范围在顶拱中心角120°范围内。

荷载组合的确定，根据电站的运行方式进行了详细地分析，包括了各种有可能出现的控制工况。

2.2.2 工况组合

(1) 工况组合及荷载分项系数如表1所示。

表1 工况组合及荷载分项系数表

(2) 其他参数取值如表2所示。

(3) 以正常运行工况内水压力为例,荷载简图如图3所示。

表2 相关参数列表

图3 内水压力(正常运行工况)图 单位：kN/m

2.3 内力及配筋计算

(1) 对结构施加相应边界条件，依托SAP2000程序计算出各工况的内力，包括弯矩、轴力、剪力[4-6]。限于篇幅关系，仅给出工况2条件下，结构计算所得的弯矩图(图4)。

图4 工况2弯矩图 单位：kN.m

(2) 取各杆件(顶拱和底板)最不利的内力组合进行配筋计算及裂缝宽度验算。按规范要求，最大裂缝宽度允许值为： [w]=0.35 mm。配筋计算结果如表3所示。

表3 配筋计算结果列表

3 结 语

(1) SAP2000具有集成化、高效率、建模方便等特点， 用于水工隧洞混凝土衬砌结构的分析，可以降低设计人员的劳动量。

(2) SAP2000程序中缝单元的应用，模拟了围岩与混凝土之间的连接约束情况，为结构分析提供了较好的解决方案，能够反映混凝土衬砌与围岩的相互作用。计算结果经ANSYS等类似有限元设计软件验证，是合理可信的，能够应用于工程设计。

[1] 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社,2006.

[2] 彭俊生,罗永坤.结构概念分析与SAP2000应用[M].成都：西南交通大学出版社,2005.

[3] DL5077-1997，水工建筑物荷载设计规范[S].北京：中国电力出版社，1997.

[4] DL/T5057-2009，水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国电力出版社，2009.

[5] DL/T5195-2004，水工隧洞设计规范[S].北京：中国电力出版社，2004.

[6] DL5073-2000，水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国电力出版社，2000.

[7] 李光顺.圆形有压隧洞混凝土衬砌结构计算方法的比较[J].西北水电，2010，(5)：71-73.

[8] 杨静安，杨鑫平.导流隧洞衬砌结构计算分析研究[J].西北水电，2012，(3)：62-66.

《西北水电》征文启事

《西北水电》杂志系中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司主办的技术性期刊，1982年创刊，国内外公开发行，以推动我国水利水电科技进步为宗旨。本刊为双月刊，全年6期，每期在2、4、6、8、10、12月末出版，刊号GN61-1260/TV，标准为大16开。《西北水电》杂志为陕西省优秀科技期刊。欢迎大家踊跃投稿。

1 征文内容

(1) 有关水力资源普查和合理开发，水电综合利用效益，水电投资经济效果，季节性电能的利用，以及国内外如何加快水电建设等方面的经验和研究论文。

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2 联系地址、单位

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联系人：王 燕 姜东琳 魏娟莉

Application of SAP2000 in Calculation of Tunnel Lining Structure

YANG Jian-dong

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

With the case of the concrete lining section of the one headrace tunnel, SAP2000 is applied to calculate and analyze the lining structure. The engineering practice proves that the calculation results are reasonable and reliable, and can be applied for the project design.

tunnel; lining; structure; SAP2000

2014-07-08

杨建东(1980- )，男，重庆市人，高级工程师，主要从事水工结构设计工作.

TV213.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.028