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哈拉军水电站尾水管弯管段内力计算

2020-04-30邰春亮

陕西水利 2020年2期
关键词:内力剪力水管

邰春亮

(新疆水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

哈拉军水电站工程位于新疆特克斯县境内的特克斯河一级支流库克苏河上,是伊犁河流域库克苏水力发电规划报告中“三库六级”的中的第六个梯级电站。距特克斯县12 km,距伊宁市131 km。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL 5180-2003),哈拉军水电站设计引水流量98.2 m3/s,电站装机容量为38 MW,哈拉军水电站为Ⅳ等小(1)型,电站主要建筑物级别为4 级。地震基本烈度为Ⅷ度。电站厂房及尾水渠采用设计洪水频率P=2%,重现期为50 年一遇;校核洪水频率P=1%,重现期为100 年一遇。

2 尾水管结构

尾水管弯管段通常指中墩墩头到锥管以下这段结构,该段结构特点是顶板很厚,底板相对较薄,两侧边墩在水平方向为变厚度。弯管段一般不设金属里衬,但当水头大于150 m,或尾水管平均流速大于6 m/s 时,以及水中含沙量较大的电站,可考虑设里衬[2]。

2.1 尾水管单线图

尾水管单线图见图1、图2。

图1 尾水管单线图(侧视)

图2 尾水管单线图(俯视)

2.2 基本假定及计算过程

本次计算目的是通过对哈拉军水电站尾水管的结构内力(即弯距、剪力、轴向力)计算,根据内力计算结果对结构进行配筋、限裂的计算。

设计资料:桥机自重按140 t 设计,最大起重量按150 t 设计,桥机试验最大起重量按150×1.25=187.5 t 设计。

2.2.1 基本假定

(1)在图3 所示的尾水管中,在垂直方向选取4 个计算断面,在各计算断面处切取单宽按平面问题进行计算。

(2)考虑各断面的计算情况多数以机组检修为控制,故以下仅计算机组检修情况,此时电站下游尾水位为1172.539 m。

(3)尾水管计算荷载包括尾水管自重、蜗壳重、风罩及机墩重机电设备重等。尾水管以上二期砼及机电设备重均化为均布荷载考虑。

(4)厂房基础反力在垂直水流方向上按均布考虑,同时不考虑砼的温度应力。

尾水管横剖面见图3。

图3 尾水管横剖面图

2.2.2 弯管段内力计算(1- 1 断面)

首先确定计算简图并进行荷载计算,1-1 断面的型式及尺寸见图4。底板的跨高比;竖向杆的,故不可忽略剪切变形和节点刚性的影响,节点刚性段的长度取节点宽度的一半,柔性段长度取净跨。

图4 1-1 断面示意图

(1)荷载计算

机墩及风罩砼自重为6553kN;蜗壳二期砼自重为21702kN;尾水管自重31230 kN,其余部分大体积砼自重69214 kN;该机组段承重的基础面积443.39 mm2。故:

水轮机自重1550 kN;发电机自重2450 kN,其它机电设备及上部结构自重8432 kN;故:

机组检修时下游尾水位为1172.539 m,不考虑基础排水设施,浮托力按矩形考虑,即:q3=1.05×9.3×9.8=95.7 kN/m2。

基础反力q=q1+q2-q3=228.65 kN/m2;侧向水压力q上=88.29 kN/m2,q下=33.78 kN/m2,取断面宽度b=1 m。

各杆件荷载简图,见图5。

图5 各杆件荷载简图

(2)结构形常数计算

按考虑节点刚性及剪切变形影响时的形常数表进行计算。截面惯性矩计算,见表1。

表1 截面惯性矩计算表 单位:m4

剪力变形影响系数(两端固定的杆件)计算,见表2。

表2 剪力变形影响系数计算表

抗弯刚度系数计算,见表3。

表3 抗弯刚度系数计算表

分配系数:

同理μCD=0.907 μCB=0.093

传递系数,见表4。

表4 传递系数计算表

(3)结构载常数计算

参考考虑节点刚性及剪切变形影响时杆件的载常数表,计算各个柔性杆端的固端弯矩及剪力。

(4)刚性节点固端弯矩计算

(5)杆端弯矩计算

用力矩分配法计算杆端弯矩,见表5。

表5 1-1 断面杆端弯矩计算表

(6)柔性段杆端弯矩计算

(7)内力图见图6、图7。

图6 弯矩图及剪力图

由上述内力计算结果可知,尾水管弯管段角点处弯矩及轴力较大,但剪力较小。

(8)强度计算

根据上述内力计算结果,进行尾水管弯管段强度计算,得到合理的配筋成果及裂缝开展宽度结果,计算依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)及《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008) 中的计算公式,计算结果见表6。

表6 强度计算成果表

图7 轴力图

2.2.3 弯管段配筋要点

根据本工程弯管段内力及强度计算可知,当配筋率小于最小配率时,可按少筋混凝土计算,即用降低安全系数的方法计算配筋量,对受弯、大偏心受压、大偏心受拉构件的受拉钢筋其配筋率不得小于0.05%(厚度超过5 m 的构件可不受此限,但每米宽度内的钢筋面积不得少于25 cm2);对大偏受压、大偏心受拉构件中的受压钢筋不得小于0.02%(一侧);对小偏心受压,轴心受构件中的受压筋不得小于0.04%(两侧)[3]。垂直主方向的分布筋(架立筋)面积一般不小于主筋面积的15%~25%,直径一般为中Φ16~Φ20,间距一般为200 mm~300 mm。对尾水管结构受进人孔、廊道等削弱的部位,需适当增加钢筋面积予以加强。

3 结语

尾水管底板是整个厂房的基础板,考虑到传力的均匀及减少早期温度收缩裂缝,一般在整个底般范围内均须布置钢筋。钢筋的数量按照弯管段及扩散段底板的计算需要配置。尾水管框架顶板、底板与墩子交接的转角处是产生应力集中的部位,其应力分布与内折角的形状有关。内折角越平缓,应力集中越小。因此一般都将内折角作成圆弧形或填角(补角)以缓和应力集中现象。填角处需设加强斜筋,斜筋直径、间距与顶、板主筋相同。

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