浯溪口水利枢纽厂房段安装间侧闸墩有限元分析

2019-01-16翟泽冰

水利规划与设计 2018年12期

刘振,翟泽冰

(1.江西省水利规划设计研究院，江西南昌 330029；2.江西省水工结构工程技术中心，江西南昌 330029)

1 工程概况

浯溪口水利枢纽工程位于江西省蛟潭镇境内，距景德镇40km，是潘阳湖水系昌江干流中游一座防洪为主，兼顾城市供水、引水发电和生态旅游等功能为一体的大(2)型水利工程[1]。水库正常蓄水位56m，死水位45m，防洪限制水位50m，防洪高水位62.30m，总库容4.747×108m3，电站装机容量为32MW[2]。厂房段安装间侧闸墩结构体型为复杂的空间结构，为全面了解闸墩结构应力分布和变形性态，准确掌握方案设计中应解决的关键技术问题，确保整个闸墩结构在施工和运行中具有较高安全可靠性[3]。文章运用ANSYS有限元分析法，对安装间侧闸墩进行全面的应力和变形分析，掌握结构应力变形分布规律，验证闸墩结构型式的合理性，为结构配筋提供可靠数据依据，确保设计方案与工程实际具备良好匹配性。

2 有限元数值分析方法

有限单元法是一种近似的数值分析方法，通过结构体型的连续化离散化处理后，用结构(弹性)力学对各单元进行求解并耦合最终形成应力和位移分布规律网络图[3]。根据结构体型网络划分，将离散单元上的已知体力和面力经静力等效转移到网络结点上，形成网络控制结点的荷载。根据网络结点的应变矩阵[B]，利用弹性力学方程即可求得连续体结构的位移变化{δ}e，具体函数表达为[4]：

{ε}e=[B]{δ}e

(1)

式中，{δ}e—网络结点的未知位移分量。

通过式(1)求得网络结点的位移变化值后，结合连续体结构应力转换矩阵[S]和网络结点单元弹性矩阵[D]，即可推求用网络结点位移表达连续体的单元应力，即：

{σ}e=[D]{ε}e=[D][B]{δ}e=[S]{δ}e

(2)

结合单元刚度矩阵[k]e，根据最小势能原理即可用结点位移推求结点应力[5]，即：

{F}e=∭[B]T[D][B]dxdydz{δ}e=[k]e{δ}e

(3)

经逐个单元耦合叠即可获得结构刚度矩阵[K]、荷载列阵{F}和结构结点位移列阵{δ}，即所谓结构刚度方程[6]：

[K]{δ}={F}

(4)

3 有限元分析模型建立

3.1 物理力学参数

闸墩混凝土强度依据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》[7]，闸墩采用C25，变形模量值Ec=2.8e4MPa，泊松比μc=0.167，密度采用2500kg/m3。闸墩机组侧扩展5m，模型总结点数为3832个，单元总数为16469个。闸墩底部采用全约束，安装间侧自由，机组侧约束水平向位移。闸墩止水前水位为校核洪水位64.30m，止水后外侧水位为22.60m。

3.2 有限元计算网格设置

根据浯溪口水利枢纽工程实际地质条件，有限元计算模型为厂房段安装间侧闸墩[8]。有限元计算坐标系定义：X轴：顺河向，由上游水平指向下游，0点为坝轴线；Y轴：横河向，沿坝轴线由左岸水平指向右岸，0点为闸墩外侧；Z轴：铅直向上，底板顶部高程22.605。按1∶1比尺，建立在自重及水力作用下的应力场及变形性态分析的有限元分析模型和约束布置网格图，如图1—2所示。