西德维纳河维捷布斯克水电站厂房集水井结构有限元计算及配筋

1.张一鸣 2.张 彪

1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司 2.北京国网普瑞特高压输电技术有限公司

西德维纳河维捷布斯克水电站厂房集水井结构有限元计算及配筋

1.张一鸣 2.张 彪

1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司 2.北京国网普瑞特高压输电技术有限公司

本文依据西德维纳河维捷布斯克水电站厂房整体稳定计算，利用ANSYS软件应用有限元分析方法建立该电站厂房集水井结构的三维模型，计算出集水井结构的内力，根据《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-2009)并绘制EXCEL表格进行配筋和验算裂缝，计算结果合理可靠。本文为配筋计算提供有效方法，并为该电站集水井结构技术施工提供依据。

水电站厂房;集水井结构;有限元;配筋;裂缝

1 工程概况

维捷布斯克水电站为灯泡贯流式电站，总装机容量4×10MW。电站枢纽主要由土石坝﹑发电厂房﹑开关站﹑泄洪冲砂闸﹑船闸等建筑物组成。工程主要建筑物自左至右依次布置：左岸土坝﹑船闸﹑连接段﹑泄洪闸﹑发电厂房﹑右岸土坝等。

2 有限元模型

根据集水井的受力与变形情况，选择壳单元shell63进行计算，由于shell63单元是带厚度的壳单元，具有弯曲能力和膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。模型的建立范围取集水井底板与侧墙。整体计算模型的结点数为279个，单元数为260个。

计算模型的总体坐标系取Y轴为垂直竖向，以▽0m高程处为原点，向上为正。由于整个有限元模型实际由5块板构成，在配筋计算中，根据所求板的位置，适当转动坐标轴，以输出配筋计算所需要的应力和内力图。采用线弹性材料，施加外水和基底压力[1、2]，对简化的集水井模型进行计算。如下图1所示为正常蓄水位下x﹑y﹑z方向应力图(单位：Pa)。

由结果可知，集水井结构在外水作用下始终处于受压状态，符合一般规律。正常蓄水位作用下X方向最大应力2.78MPa，最小应力-4.67MPa，Z方向最大应力3.31MPa，最小应力-5.32MPa，Y向最大应力2.71MPa，最小应力-5.5MPa，最小应力绝对值均小于混凝土轴心抗压强度设计值。校核洪水位作用下X方向最大应力1.35MPa，最小应力-2.27MPa，Z方向最大应力1.61MPa，最小应力-2.59MPa，Y向最大应力1.92MPa，最小应力-2.68MPa，可见，校核洪水位计算结果不是控制工况，裂缝开展宽度计算时选取正常蓄水位计算即可。弯矩最大值出现在底板的中心部位，轴力最大出现在侧墙固定约束地带。

3 配筋计算

选取每个板中间单元作为跨中单元，相邻两边的中间单元作为两个跨度的支座单元进行内力提取，把相应的弯矩和轴力转化为单宽单元受力，然后按照《水工混凝土结构设计规范》[3]第9.3.2条计算受压状态时受拉受压钢筋截面面积，编制EXCEL，由弯矩和轴力计算每个单元单宽时的配筋面积。配筋结果见下表：

图1 正常蓄水位下x、y、z方向应力图(单位：Pa)

板号 配筋形式1号板(2米厚) 竖向 横向5φ28 2、4号板(1.5米厚) 5φ28 5φ25 5φ25 5φ25 3、5板(1.5米厚) 5φ25

由《水工混凝土结构设计规范》[3]第10.2.2条，按标准组合并考虑长期作用影响的裂缝开展宽度wmax可按下式计算：

acr——考虑构件受力特征的系数，对受弯和偏心受压构件，取值1.90；

Ψ ——裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，当；

lcr——平均裂缝间距；

ES——钢筋弹性模量；

v ——与受拉钢筋表面形状有关的系数：对带肋钢筋，取v =1.0

ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值；

C——最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，取c=50mm；

d ——钢筋直径(以mm计)；

ρte——纵向受拉钢筋的有效配筋率，

AS——受拉区纵向钢筋截面面积；

σSK——受拉钢筋应力；

σ0——钢筋初始应力。对于长期处于水下的结构，允许采用σ0=20N/mm2

由于钢筋和混凝土的材料现场已经选好，﹑为常数，﹑c﹑b﹑﹑为定值，从式(1)～式(3)可以看出，钢筋直径和截面宽度内配的钢筋个数为裂缝宽度的控制因素，按200mm钢筋间距，减小裂缝开展宽度的方式只能通过增加钢筋直径来改变。集水井位于地下，环境类别为二类，最大裂缝开展宽度0.3mm。对于的小偏心受压构件，可不验算裂缝宽度[3]。经编制Excel计算，在正常使用极限状态下计算内力得到的裂缝开展宽度均满足要求。

4 结论

本文以白俄维捷布斯克水电站厂房集水井结构配筋为例，应用ANSYS软件建立模型，并计算变形和应力状态，提取内力进行配筋，结果正确反应集水井结构的应力状态，为结构设计提供可靠依据。编制的配筋EXCEL表格，有效提高了工作效率，简化计算，配筋结果与其他类似项目相吻合，符合一般工程经验。为配筋计算提供有效的技术方法。

[1] GB50009-2012《建筑结构荷载规范》[S]；

[2] DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》[S]；

[3] DL/T5057-2009《水工混凝土结构设计规范》 [S]

[4]杨金源.基于三维有限元分析的厂房结构配筋和裂缝宽度设计[J].人民珠江，2011(05)；12-15.