大盈江四级电站进水口拦污栅三维有限元分析

蒋 敏 屈玉竹

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)



大盈江四级电站进水口拦污栅三维有限元分析

蒋 敏 屈玉竹

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

采用ANSYS有限元软件，对拦污栅塔进行了静、动力分析，探讨了在静、动力作用下结构各部位的位移和应力，结果表明，除需要对一些应力集中部位及薄弱部位进行加强配筋外，结构整体受力较好，满足设计要求。

拦污栅，ANSYS，竖向位移，应力

1 工程概述

大盈江四级电站进水口由拦污栅墩、洞室进水口及检修闸门井组成。拦污栅墩采用塔式，布置型式为：在右泄洪冲沙闸右侧上游电站进水口前布置拦沙坎及拦污栅墩，拦沙坎兼做拦污栅的栅墩基础，坎顶以上设置6孔拦污栅，每扇孔口尺寸为5.0 m×21.7 m(净宽×净高)，拦污栅为直栅。拦污栅高47 m，其下部拦沙坎高21 m。

鉴于进水口拦污栅结构复杂，只依靠传统的计算无法准确描述结构在动静力工况下的应力情况。因此，有必要对拦污栅塔进行三维有限元动、静力分析研究，以评价拦污栅的结构安全性，保证工程安全可靠。

2 计算模型及材料参数

采用大型三维有限元计算软件ANSYS进行拦污栅结构静动力计算。取左侧拦污栅进行计算，模型主要由拦污栅即其下部拦沙坎所组成。由于主要分析栅体结构的受力情况，因而简化模型，将基岩作用简化为拦沙坎底部及下游侧底面全约束。计算模型坐标系为笛卡尔坐标系，三轴方向的确定规则为：X方向为水平向，指向左岸(面向下游)为正；Y方向亦为水平向，指向上游为正；Z方向为垂直向，指向上为正；坐标原点定在拦污栅底面右侧端点处(面向下游)。模型采用三棱柱单元，采用实体单元Solid185模拟；动力计算时，进水塔上游面用质量单元模拟该面所受的水压。计算模型见图1。

塔体混凝土强度等级采用C25，静弹性模量为28 000 MPa，混凝土容重为25 kN/m3，泊松比为0.167。

3 计算工况及荷载

为了研究进水塔的应力变形规律，同时分析地震对进水塔的影响，共进行了4个工况的计算，各工况对应的荷载组合详见表1。

表1 拦污栅墩整体稳定计算工况及荷载组合表

动力分析中，结构的阻尼比取5%，地震效应影响不超过5%的高阶振型略去不计，反应谱值及其他动力参数按规范相关条款考虑。反应谱曲线见图2。

4 计算结果及分析

4.1 动力分析

单独地震时，考虑满库情况，即考虑动水压力对进水塔结构的影响，将动水压力以附加质量的形式施加给进水塔结构，地震时坝上游面动水压力按《水工建筑物抗震设计规范》中式(6.1.11)折算为单位地震加速度相应的坝面附加质量，具体见下式：

其中，Pw(h)为水深h处单位高度动水压力附加质量代表值；ρw为水体质量密度；H0为水深；ah为水平向设计地震加速度代表值。

本计算研究中，考虑三个方向的地震荷载，竖向地震荷载计算参数基本同顺河向，仅竖向设计地震加速度代表值取水平向设计地震加速度代表值的2/3。采用振型分解反应谱法分别对地震荷载下的结构响应进行了计算，并采用SRSS法对结构响应进行了组合作为地震荷载响应。

根据计算结果，在地震及水库水压力作用下，综合位移最大值出现在塔体顶部，其值为4.4mm，随着高程减小，塔体位移减小。下游侧拦污栅墩与拦沙坎相接的弧形面的小部分区域存在应力集中现象，使此处的拉应力最大，为3.21MPa。拦污栅墩下部出现拉应力，其值平均约为1.6MPa,大于混凝土的设计抗拉强度，对此部分需要配筋以提高结构承载力。拦污栅墩上游侧最大拉应力为栅墩与拦沙坎接触面，约2.5MPa，随着高程的增加，栅墩的拉应力逐渐减小，对上游侧栅墩也需要配筋以提高结构的承载力。栅墩上半部主要承受压力，其应力值小于混凝土设计抗压强度。拦沙坎部分承受拉应力，但拉应力值均小于1.3MPa，即小于混凝土的设计抗拉强度，拦沙坎结构受力状态较好。

表2 塔体结构最大位移汇总表 mm

4.2 静力分析

1)位移计算结果。除地震作用工况外的其他三种工况的位移计算结果见表2。从表2的计算结果可以看出，在静荷载作用下未出现较大的位移。最大位移不大于1 mm，且出现位置位于拦污栅塔体顶部，对塔体运行不会产生影响。

2)应力计算结果。从计算结果得出，在静荷载作用下，结构中最大拉应力出现位置在顶部下游侧梁与栅墩相接处，最大拉应力为1.87 MPa，判断此拉应力主要是由于顶部活荷载作用而产生。此拉应力大于混凝土的设计抗拉强度，在设计中需要对这些部位进行配筋。栅墩上游侧最大拉应力为0.77 MPa，出现在检修工况，满足设计要求。栅墩下游侧底部与拦沙坎相交处最大拉应力为0.53 MPa，满足设计要求。拦沙坎受力状况较好，其最大拉应力为0.5 MPa，满足设计要求。

5 结语

本文应用ANSYS有限元软件对大盈江四级水电站进水口拦污栅塔结构进行了静、动力分析。结果表明，本工程进水口拦污栅与拦沙坎方案能够满足结构设计要求，结构未出现较大的拉应力和压应力区。但在一些应力集中部位及薄弱部位需要进行加强配筋，以满足地震工况下的受力要求。

[1] DL 5073—2000，水工建筑物抗震设计规范[S].

[2] 王 俊,孙怀昆,任旭华.金安桥电站进水塔三维有限元静动力分析[J].东北水利水电,2009(4)：79-80.

[3] 祖 威,孟凡理.猴子岩水电站高进水塔三维有限元分析[J].人民长江,2014(9)：46-47.

The 3D finite element analysis on trash rack of big Yingjiang four stage power plant blasthole

Jiang Min Qu Yuzhu

(Kunming Survey & Design Institute Limited Company, China Electric Power Construction Group, Kunming 650051, China)

Using ANSYS finite element software, this paper made static and dynamic analysis on trash rack tower, discussed the displacement and stress of each parts of structure under static and dynamic effect, the results showed that: in addition made strengthened reinforcement to some stress concentration position and weak parts, the whole structure had good stress, could meet the design requirements.

trash rack, ANSYS, vertical displacement, stress

1009-6825(2016)30-0060-02

2016-08-14

蒋 敏(1986- )，女，工程师

TU311.4

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