基于三维有限元的孔口结构应力分析和配筋研究

2020-09-23魏刚文潘燕芳

水电站设计 2020年3期

李静，魏刚文，潘燕芳

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

根据现行《水工混凝土设计规范》规定，由弹性理论分析法确定非杆系混凝土结构的钢筋用量，采用有限单元法对混凝土开裂前后受力状态有显著变化的结构进行校核。但韩玉莲[1]认为，理论上混凝土结构可以由应力图形配筋法进行配筋计算。以某电站为例，该电站重力坝最大坝高77 m，共24个坝段，冲沙底孔坝段并排设置两个冲沙底孔，孔口尺寸均为6 m×8 m，“一坝双孔”结构特点和位于强地震带的坝址特点致使孔口应力复杂，防裂问题尤为突出，故研究其应力及配筋具有重要意义。本文采用三维线弹性有限元法对冲沙底孔周边混凝土结构典型部位进行应力分析，评价其应力状态，并以“静力应力为辅、动力分析为主”为基础，进行动力配筋设计，为坝工孔口结构动力配筋设计提供了参考。

1 冲沙孔流道结构

某电站坝顶高程3 249.00 m，最大坝高77 m，14号坝段并排设置两个冲沙底孔，孔口尺寸均为6 m×8 m。冲沙孔采用有压深式进水孔形式，包括进口段、压力段、出口明流段。底孔坝段泄水孔压力段前端设平板事故检修门和平板工作门，出口采用两段圆弧过渡与消力池底板相接。

2 三维有限元的孔口结构应力分析

2.1 计算模型和计算荷载

利用有限元分析计算软件ABAQUS建立坝段-地基整体三维有限元计算分析模型(见图1)。计算荷载及荷载作用系数取值根据《混凝土重力坝设计规范》[2]《水工建筑物荷载设计规范》[3]及电站基本资料确定。其中，抗震计算根据水电工程《水工建筑物抗震设计规范》[4]的规定，采用动力分析方法中的振型分解法，各阶振型的地震作用效应按平方和方根法组合。大坝地震基岩动峰值加速度140 gal，阻尼比为10%。设计反应谱采用标准设计反应谱(见图2)。对于重力坝，标准设计反应谱最大值代表值βmax取2.0，下限值βmin应不小于βmax的20%，因此计算时取0.4。坝基为Ⅲ2基岩，场地类别为Ⅰ0类，根据场地标准设计地震动加速度反应谱特征周期调整表调整后，标准反应谱的特征周期取0.3 s，并选取40阶振型。

图1 冲沙底孔坝段有限元模型

2.2 静力计算成果分析

由正常蓄水位下正常运行状态(持久工况)冲沙孔孔身段应力计算成果(见表1)可以看出，冲沙孔孔身段最大主应力以及横河向正应力约为1.34 MPa，大于C9025混凝土有限元计算允许静态拉应力

0.59 MPa，拉应力区出现在冲沙孔顶板和底板靠边墙部位。冲沙孔孔身段顺河向正应力最大值为0.2MPa，拉应力区在孔口两侧边墙缝面区域，顶板和底板的顺河向应力均为压应力。冲沙孔孔身段的垂直向正应力最大值为0.26 MPa，拉应力区分布在两侧边墙缝面区域，顶板和底板的垂直向应力基本为压应力。冲沙孔孔身段最小主应力值为2.8 MPa，远小于C9025混凝土的有限元计算允许静态抗压强度值5.82 MPa，具有较大安全裕度。

图2 标准设计反应谱

2.3 动力计算成果分析

从表1中正常运行+地震偶然状况下(偶然状况)孔身段应力计算成果可以看出，孔身段结构最大主应力为3.73 MPa，垂直向正应力最大值为3.2 MPa，横河向正应力最大值为1.2 MPa，三者均大于C9025混凝土有限元计算允许动态拉应力0.82 MPa，且横河向正应力的拉应力区集中分布在顶板和底板的角缘位置。冲沙孔孔身段顺河向正应力最大值为0.6 MPa，小于C9025混凝土有限元计算允许动态拉应力0.82 MPa，主要分布在底板和边墙部位，顶板的顺河向应力基本为压应力。垂直向正应力的拉应力区集中分布在上游面边墙靠近底板高程区域，冲沙孔孔身段最小主应力值为0.27 MPa，远小于C9025混凝土的动态允许抗压强度标准值8.21 MPa，具有较大安全裕度。

表1 持久状况和偶然状况工况下冲沙孔孔身段应力计算成果

3 有限元应力配筋研究

采用三维线弹性有限元法进行结构应力计算，以有限元应力计算的静力成果为基础，动力计算成果作参考，根据《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057-2009)附录D中规定[5]，参照类似工程配筋方案，设计冲沙孔孔身段配筋。

3.1 计算公式

按照《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057-2009)附录D中规定的“非杆件体系钢筋混凝土结构的线弹性应力图形法配筋计算原则”，对14号坝段冲沙孔孔身段孔口进行结构正应力法配筋，计算公式为：

(1)

式中，T为由荷载设计值计算出的混凝土截面弹性总拉力(计算时还应乘以结构重要性系数γ0和设计状况系数ψ)，MN；Tc为混凝土承担的拉力(当按式(1)进行计算时，Tc不宜超过总拉力T的30%，当受拉区高度大于结构截面高度的2/3时，Tc应取为0)，MN；fy为钢筋抗拉强度设计值(计算选用HRB400级钢筋，fy取360 MPa)，MPa；As为钢筋截面积，mm2/m；γd为钢筋混凝土结构系数，按《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057-2009)表5.2.1取1.25。

3.2 配筋断面选择和配筋计算

根据第3节静力和动力有限元应力计算结果可知，在持久状况下，孔身段孔口顶板和底板的顺河向应力为压应力，可根据构造要求进行配筋，冲沙孔孔身段孔口顶板和底板的横河向应力及边墙顺河向和垂直向应力均需进行有限元应力配筋计算。在偶然状况下，冲沙孔孔身段孔口顶板的顺河向应力基本为压应力，可根据构造要求进行配筋，孔口顶板和底板的横河向应力、底板的顺河向应力及边墙顺河向和垂直向应力均需进行有限元配筋计算。表2～3分别表示在持久状况、偶然工况下，冲沙孔孔身段配筋计算成果。