基于ANSYS有限元的导流洞消力池结构动力分析

2018-09-03罗昌辉

水利科技与经济 2018年8期

罗昌辉

(新疆水利水电勘察设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概述

水工设计中，泄洪消能是非常重要的研究课题。它不仅影响整个水工枢纽的布置，还影响工程量与投资[1]。而导流洞作为水电站建设中的重要建筑物，通常具有单宽流量大、佛氏数低的特点，有些导流洞后期还要改为泄洪洞，因此对于导流洞出口处消力池的结构布置提出了严格的要求[2]。国内外消力池的研究多从渗流或者水力学角度，特别是从脉动压力的作用机理及其分布的角度来分析消力池失稳破坏机理[3-4]。然而，当消力池建筑在基岩物理力学性质差且岩性变化显著的不均匀地基上，基础对消力池结构的影响就变得十分突出，尤其对于消力池高度大、边墙厚度相对较薄的结构稳定性分析变得更为重要。

本文借助有限元理论，结合试验模型提供的脉动压力，建立有限元模型。通过边墙和消力梁的动应力和动位移作为判定标准，对消力池结构动力进行稳定性分析，以期为设计提供理论依据。

2 有限元模型建立

新疆某水利枢纽工程1#深孔消力池由底板、两边的边墙、栅条、拉杆组成，两边墙的距离为18 m，边墙高22.963 m，底板厚2 m，栅条两端连接两边的边墙距离底板9.6 m，拉杆连接两边的边墙布置在边墙的顶部。由于消力池段每隔10 m设有结构缝，因此取相邻结构缝之间的结构为一个整体系统。结构图见图1，有限元模型见图2。

图1 消力池边墙结构图

图2 消力池有限元模型

有限元模型采用SOLID185单元，边墙与底板的材料属性取为一致，密度为2.4 t/m3，弹性模量28 GPa，泊桑比0.167，底板的地面采用全约束。

采用附加质量法模拟水体和消力池边墙的流固耦联作用，附加质量用MASS21单元模拟，分别计算在工况1和工况2下的动应力和动位移。

为了计算消力池的动力响应，首先通过模型试验测得作用在消力池边墙上的脉动荷载(点荷载)，然后将实测脉动荷载(通过点面转换换算成作用在边墙上的面荷载)的时间过程均匀加在边墙结构上，计算出消力池边墙各部位的动力响应。模型试验分别对工况1和工况2进行了脉动荷载测试，其测点布置图见图3，计算工况见表1。

图3 脉动压力测点布置图

表1 计算工况

3 消力池动应力计算结果

3.1 边墙动应力

各工况下，消力池边墙动应力计算结果见图4～图5。

图4 工况1计算结果

图5 工况2计算结果

分析边墙动应力计算结果可以看出，消力池边墙动应力整体趋势随着高程的增加不断变小。底部的动应力达到最大值，最大值为291.626 kPa，均方差为44.4 kPa。

3.2 消力梁动应力

将试验实测脉动荷载的时间过程均匀加在栅条结构上，即可计算出栅条各个部位的动应力。消力梁动应力计算结果见图6～图7。

图6 工况1消力梁动应力计算结果

图7 工况2消力梁动应力计算结果

由计算结果可以看出，消力梁的动应力沿着栅条方向呈先减小后增大再减小再增大的趋势，在栅条和边墙的连接处出现动应力最大值。动应力的最大值为56.79 kPa，均方差为9.3 kPa。

混凝土在泄洪振动作用下的疲劳破坏问题，至今还没有成熟的理论，混凝土的疲劳破坏强度大致可以取0.5倍混凝土静力极限强度。考虑到水工混凝土工作条件的复杂性以及徐变等因素的影响，可以取泄洪振动的“允许动应力” 为0.45倍的静力允许应力值[5]。若静力条件下允许拉应力[σ]取1.2 MPa(C25混凝土)，则泄洪振动的允许拉应力可取0.567 MPa。

消力池边墙动应力最大值为291.626 kPa，均方差为44.4 kPa，其在动水荷载作用下的最大应力按3倍均方差计算，为0.133 MPa，小于允许动应力0.567 MPa。消力梁的最大值发生在边墙和栅条的连接部位，动应力的最大值为56.79 kPa，均方差为9.3 kPa，按3倍振幅计算，最大动应力为0.028 MPa，小于允许动应力0.567 MPa。