环形钢筋混凝土调压塔有限元计算分析

□姬宏奎 吴宏军 张 楠

环形钢筋混凝土调压塔有限元计算分析

□姬宏奎 吴宏军 张 楠

对长距离输水线路上环形钢筋混凝土调压塔进行有限元、各种荷载作用下产生的内力进行分析计算，最后完成配筋。

调压塔；有限元；温度作用；环形结构

基于Midas有限元厚板单元计算，能够快速输出结构弯矩、应力、轴力及剪力等，根据输出结果可以进行配筋或根据应力图形进行精确配筋。下面以某工业园输水管道工程为例进行计算分析。

1.调压塔设计参数

某工业园输水管道工程，输水管道长约14km。管道沿线布置调压塔，其中最高调压塔高度为28.1m。调压塔采用钢筋混凝土结构，调压塔高28.1m，壁厚800mm，内径2.5m，外径4.1m，混凝土强度等级C35，地基土为砂岩土，变形模量50MPa，回填土采用碎石土，变形模量40MPa，基础厚度1.5m，基础以下采用桩基础，桩径1m，桩长25m，混凝土强度等级C35。

2.有限元建模

此次有限元分析采用Midas/GTS荷载结构法计算，采用板单元模拟调压塔结构，见图1。材料属性：均为C35混凝土，抗压强度16.7MPa，弹性模量E＝31500MPa，温度线膨胀系数e=1e-5/℃。特性：塔帽板单元厚度0.2m，塔身板单元厚度0.8m，基础板单元厚度1.5m，单元尺寸控制为1m。

图1 结构模型

荷载结构法地基反力采用仅受压单元模拟地基反力,见图2。荷载边界条件：本次计算荷载主要为自重、风压力、水压力、温度作用，温差根据当地气象资料取为20℃。

图2 网格划分

计算工况，根据检验检修及运行具体情况将计算工况分为以下2种，见表1（工程处于6度地震区暂不进行抗震分析，仅根据拟静力法进行复核计算，未列复核计算内容）。

表1 计算工况表

3.计算结果及分析

各工况计算结果见表2。

表2 计算结果

根据表2，工况一竖向及环向轴拉力及弯矩都较大，故其为控制工况。根据计算内力进行配筋，竖向配筋根据轴力及弯矩进行偏心受拉或者偏心受压计算配筋；对于比较关注的调压塔环向配筋可以根据偏心受拉构件也可以根据 《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)按应力图形配筋，按公式12.2.1，进行计算，其中最大拉应力为midas输出的截面顶部应力或底部应力结果，受拉区面积根据截面顶部和底部应力和轴力结果得出，两种计算结果见表3。

表3 环向配筋计算结果

两者计算的受压区基本吻合，应力区大小相同，按应力图形配筋计算偏大，根据 《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）按应力图型配筋图12.2.1分析可知，计算公式是简化为三角形，而实际应力图形并非规则三角形。

4.结论

采用有限单元模型分析计算调压塔的受力，着重对环形方向配筋结果进行计算，得出按应力图形配筋和按偏心受压配筋公式计算配筋计算结果相差不大，从侧面验证了输出的弯矩及轴力的可靠性。为今后类似工程的结构设计和施工提供借鉴。

2017-02-08

姬宏奎，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院,工程师。

吴宏军，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院,工程师。

张 楠，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院,高级工程师。