地下厂房下部结构三维有限元分析

2017-10-18李经纬

东北水利水电 2017年10期

关键词：活荷载蝶阀水井

曾锐，李经纬

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

地下厂房下部结构三维有限元分析

曾锐，李经纬

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

本文结合厄瓜多尔TP水电站工程实例，采用国际通用有限元软件ANSYS，建立地下厂房蝶阀层以下结构三维有限元模型。依据美国ACI 318等规范及技术标准，着重考虑尾水管、集水井内外水压力，研究地下厂房下部结构的整体受力状态，对应力、位移等计算成果做出评价，并通过应力成果对结构进行配筋分析和计算，可为其他相关工程提供设计参考依据。

地下厂房；下部结构；三维有限元；配筋

1 概况

TP水电站位于厄瓜多尔境内，二级地下厂房规模为66.4 m×27.3 m×47.4 m（长×宽×高），装机204 MW，设计水头233 m，引用流量100 m3/s。从进场交通洞开始依次布置副厂房和主厂房，副厂房下游侧布置安装间，主变设在主厂房内，紧靠发电机组下游侧布置，设3台13.8/230 kV升压变压器，开关站为地面开敞式，出线等级为230 kV，站内设有出线等设备，与国家电网连接。主厂房共3台机组，机组间距16 m，发电机层高程744.00 m，机组安装高程738.00 m，水轮机层高程732.00 m，蝶阀层高程729.00 m。地下厂房围岩以安山岩及岩屑凝灰岩为主，围岩类别主要以III类为主，上覆岩土体厚度约为191 m。本文采用有限元分析软件ANSYS对地下厂房蝶阀层以下结构进行三维有限元数值仿真分析，以期为工程设计提供参考。

2 计算模型与参数

2.1 计算模型

以蝶阀层729.00 m高程以下结构（包括蝶阀基础、尾水管以及集水井）进行建模分析，计算模型深度取1～2倍控制段高度，此次计算模型底部取至704.70 m高程。模型坐标系采用笛卡尔坐标系，x轴方向为地下厂房长度方向，y轴方向为机组顺水流方向，z轴方向为竖直向。采用六面体八节点等参单元（局部采用四面体单元）进行网格划分，模型共划分单元数为77 802个，节点数为84 470个，其中厂房结构单元数为36 927个，节点数为42 454个。模型底部为固定约束，基础侧向按法向连杆约束考虑。

2.2 计算参数

2.2.1 材料参数

下部结构材料为C280混凝土，C280混凝土和基岩计算材料参数见表1。

表1 材料参数

2.2.2 特征水位

发生水击时尾水最高涌浪水位752.00 m.s.n.m，对应正常发电水位高程738 m，地震动水压力按Westergaard公式计算，即：

式中：ah为水平向地震作用系数，取0.21；H0为尾调室底板顶高程（722.50 m）距正常发电水位的高度；h为尾水洞中心线高程（726.85 m）距正常发电水位的高度。

地震时对应水位为738+2.42=740.42 m，小于752.00 m，计算尾水位时取752.00 m.s.n.m。考虑到厂房周边均有排水孔，取外侧水位为733.00 m.s.n.m。

集水井内部水位考虑最不利情况，水位取至顶板底部728.60 m.s.n.m，水泵室无水，另一侧水池满水。

2.2.3 蝶阀层729.00 m高程以上结构、设备自重及活荷载

729.00 m高程以上结构、设备自重以及活荷载简化为以均布力的形式施加于729.00 m平面上与结构有接触的部位。

结构自重通过三维建模软件Microstation统计得出，三维模型见图2，上部结构总体积为6 858.04 m3，737.5 m高程以上梁、板及顶拱的部分重量直接传至地基（桩号为CT0+010.90～CT0+015.60），应予以扣除，因此上部结构传至底板的重量为141 587.17 kN。与结构有接触部位的面积为368.5 m2，其分布见图2。

设备重量传至729.00 m高程，与机墩基础接触面的重量为29 340 kN，传至蝶阀基础的重量为2 868 kN，传至729.00 m高程周边与上部结构接触面的重量为3 678 kN。

729.00 m高程以上活荷载传至底板荷载为82 202 kN，各层平面活载根据EM1110-2-3001规范要求取值。

2.2.4 活荷载

根据EM1110-2-3001，取作用于高程729.00 m平面（集水井及走廊过道）的活荷载为10 kPa，作为其最不利活荷载考虑。

2.3 设计荷载组合和荷载系数

此次计算主要考虑完建工况（Unusual-1）、蝶阀紧急开启工况（Unusual-2）、正常运行工况（Usual），3种工况下结构受力形式见表2。

根据EM1110-2-2104，水工结构的设计荷载工况组合：

式中：Uh为水工结构设计荷载；D为恒载；L为活载；Hf为水力系数，仅在水流冲刷部位考虑，即尾水管内表面，取1.3。

图1 729.00 m高程以上模型

图2 729.00 m高程平面与上部结构接触面积示意图

表2 荷载及工况组合

3 三维有限元计算及成果分析

本文只考虑竖向荷载，因此对于大体积混凝土结构只需复核应力是否满足要求，对于横向板结构可作为纯弯曲构件进行考虑，而对于竖向板应同时考虑弯曲+轴向荷载。各控制工况下结构整体位移及应力云图见图3，可见结构最大的总位移值为2.5 mm，位于尾水管进口顶板区域，量值较小。总体上，位移和应力的规律基本合理。

图3 结构整体位移及应力云图

通过应力值可得到下部结构各部位的最大弯矩值，最大弯矩值计算结果如表3所示。其中，尾水管顶部经常受到水流冲刷，在弯矩计算时应考虑2.3的水力系数。

对于集水井上游侧边墙、集水井中隔板、集水井下游侧边墙可作为弯曲+轴向荷载考虑，但是由于集水井中隔板、集水井下游侧边墙Z向产生的均是压应力，且顶部荷载较小，可判定在竖向荷载作用下不产生Y向弯曲破坏；另外，集水井上游侧边墙在顶部有很小的拉应力，但是Y向的应力差值不大，因此产生的弯矩较小。由此对于集水井上游侧边墙、集水井中隔板、集水井下游侧边墙按照构造配筋即可。考虑集水井、729 m高程底板防渗水，最小配筋率按ACI 350-06选择，底板不分缝，长度为45.3 m，取最小配筋率0.5%（双面），且单面配筋面积不大于1 500 m2，相当于ϕ18@150。其他大体积混凝土部位，根据EM1110-2-2104要求，取最小配筋率0.28%，考虑温度和收缩应力，最大面积等于每面按30.48 cm间距设置9号钢筋，相当于ϕ20@150。

经对集水井顶板、底板、中隔墙、边墙及上下游边墙和尾水管顶板等不利部位进行剪力复核，得到各部位剪力均满足抗剪要求，无需配置抗剪钢筋。