某水库钢排架静力学分析

牛 闻

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

1 概述

某水库启闭机闸房总高35 m，由启闭机层以下高20 m钢排架和高15 m上部闸房组成，平面外形尺寸为15 m(水流方向)×11 m(坝长方向)，见图1。下部钢排架是一个空间框架结构，在各荷载效应组合工况下各构件间相互联系协调变形，应采用整体空间结构对其进行结构静力学、动力学以及非线性等进行全面校核，使结构设计满足工程要求。限于篇幅，本文仅对钢排架进行三维有限元静力学分析(包括强度、刚度)，并对结构进行必要的优化。

(a)整体闸房模型

2 设计参数

钢排架主要由柱、柱间连系梁和启闭机层平台等组成，而启闭机层平台主要由主梁、次梁、圈梁、挑台以及铺板等组成，各构件之间现场焊接，钢排架模型见图1，坐标系：X轴沿坝长方向(垂直水流方向)，Y轴沿排架高度方向，Z轴沿水流反方向。

2.1 结构主要尺寸

柱沿水流方向设3排、中心间距均为7 m，柱垂直水流方向设2排、中心间距为9.8 m，柱间连系梁为2层、每层高6 m，启闭机层四周挑台外伸长1.5 m，除筋板厚为δ=12 mm外，其余主结构钢板厚位于20 mm≤δ<40 mm之间。

2.2 材料及物理参数

钢板材质为Q355C，弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，质量密度ρ=7850 kg/m3。

2.3 主要荷载

钢排架荷载主要有永久荷载、可变荷载以及偶然荷载[1]。

2.3.1 永久荷载

包括钢排架、上部闸房、启闭机、启闭机层铺装、挑台栏杆等结构自重。

2.3.2 可变荷载

包括启闭机层活荷载、屋面活荷载、雪荷载、启闭机吊重、风荷载等，其中屋面活荷载和雪荷载不叠加，应取两者较大值。可变荷载一般根据建筑用途、场地气象资料，并结合荷载规范取值。

启闭机层活荷载标准值为5.0 kN/m2。

屋面活荷载按不上人屋面其标准值为0.5 kN/m2。

雪荷载标准值按下式计算：

Sk=μrs0

式中：Sk为雪荷载标准值，kN/m2；μr为屋面积雪分布系数，μr=1；s0为基本雪压，s0=0.25 kN/m2。

经计算，Sk=0.25 kN/m2。

启闭机吊重为5500 kN，其吊重向上游倾斜，与竖直方向存在为7°夹角，根据启闭机布置，吊重作用上平台荷载值为：下游左侧Q1=1190 kN(竖直向下方向)、下游右侧Q2=1260 kN(竖直向下方向)、上游左侧Q3=2500 kN(竖直向下方向)、上游右侧Q4=2350 kN(竖直向下方向)、上游左侧V3=404 kN(水平向上游方向)、上游右侧V4=376 kN(水平向上游方向)，下游左右侧V1=V2=0(水平方向)。

风荷载标准值按下式计算：

wk=βzμsμzw0=0.945 kN/m2

(1)

式中：wk为风压标准值，kN/m2；βz为高度z处的风振系数，βz=1；μs为风荷载体型系数，μs=1.2；μz为风压高度变化系数，属于山区建筑物，排架顶离坝后河谷最低处约150 m时，βz=2.25；w0为基本风压，w0=0.35 kN/m2。

经计算，wk=0.945 kN/m2。

2.3.3 偶然荷载

包括启闭机试验荷载[2]、暴风荷载、地震荷载[3]等，尽管偶然荷载很少发生，但同样具有破坏性，结构计算时应予以考虑。

启闭机试验是启闭机投入使用前应进行的现场试验，其试验荷载直接作用在钢排架上，试验荷载取启闭机吊重的125%。

暴风荷载标准值按下式计算：

wk=βzμsμzw0=1.215 kN/m2

(2)

式中：wk为暴风荷载标准值，kN/m2；w0为暴风荷载作用下基本风压，w0=0.45 kN/m2。

地震荷载按作用在结构上的惯性力处理，水平地震最大加速度按下式计算：

αmaxx=βαmaxxg=3311 mm/s2

(3)

式中：αmaxx为水平地震最大加速度，mm/s2；β为动力放大系数，β=2.25；αmaxx为水平地震影响系数的最大值，场地位于抗震设防烈度为7度、设计基本地震加速度0.15g、设计地震分组为第二组地区时，αmaxx=0.15；g为重力加速度，g=9810 mm/s2。

竖向地震最大加速度按下式计算：

αmaxv=βαmaxvg=2152 mm/s2

(4)

式中：αmaxv为竖向地震最大加速度，mm/s2；αmaxv为竖向地震影响系数的最大值，一般取水平地震影响系数最大值的65%，即αmaxv=0.65αmaxx。

2.4 荷载效应组合

验算结构构件承载力时，可按表1选择可能出现的荷载组合情况及相应的荷载分项系数分别进行内力设计值的组合，并取各构件的最不利组合进行截面设计。

表1 荷载效应组合

验算结构侧移时应单独计算风或地震作用，风荷载和地震作用均取标准值，不再乘以荷载分项系数。

3 有限元建模

当前ANSYS、MIDAS、PKPM、ABAQUS等有限元分析软件技术已相当成熟，均可对结构分析计算，采用ANSYS Workbench软件其交互式建模界面[4]，建模时钢排架全部采用板单元，使模型更加贴近真实框架，模拟结果会更加精确。

整个闸房大且复杂，在不影响受力的前提下，对结构主要作以下的简化：启闭机层以上部分，对分析对象下部钢排架起到传递重力荷载(自重、雪载、屋面活荷载等重力荷载效应)和风荷载等，按照实际外形尺寸和自重相当建模，基本不会影响传力；启闭机、启闭机层铺装层、挑台栏杆等结构未建具体模型，而按照质量点或面等外部荷载形式传递自重荷载；考虑柱底为刚接，建模时忽略柱插入闸墩部分。

钢排架为板板组成的实腹式空间结构，所有板均采用shell 63壳单元模拟，根据质量、刚度变化将结构离散为241164个单元，闸房整体及钢排架模型见图1，建模计算过程中统一采用以下单位：长度(mm)、质量(kg)、力(N)、应力(MPa)。

4 计算结果与分析

根据钢板失效形式采用第四强度理论验算强度[5]，故在结构后处理中提取Von Mises应力验算结构构件承载力，应力值应不大于规范[3、6]规定值。钢排架变形主要通过验算结构各层间侧移，侧移值应不大于规范规定值。钢排架在表1各工况荷载效应组合下最大应力和变形见表2。

表2 荷载效应组合下钢排架计算结果表

4.1 承载力结果分析

由表2荷载效应组合下钢排架计算最大应力值可以看出：①基本荷载组合最大应力值出现在工况4风上，启闭机上游左侧大梁上最大等效应力值为180.23 MPa，应力云图见图2；②特殊荷载组合最大应力值出现在工况8风上，启闭机上游左侧大梁上最大等效应力值为222.99 MPa，应力云图见图3；③钢排架应力主要受重力、启闭机吊重和地震影响较大，风载对应力增加幅度为1‰影响较小；④风和地震水平两个方向对钢排架影响基本相同。

图2 基本荷载组合最大应力云图

图3 特殊荷载组合最大应力云图

荷载效应组合下钢排架应力均在规范允许值内，见表3。

表3 钢排架最大应力计算结果表

4.2 变形结果分析

由表2荷载效应组合下钢排架计算变形和侧移值可以看出：①基本荷载组合最大变形出现在工况4风上，启闭机上游左侧大梁上最大变形值为20.73 mm，同时钢排架竖向压缩变形最大值为12.09 mm、水平面Z向2层相对于1层最大层间侧移值为6.79 mm，变形云图见图4。②特殊荷载组合时，最大变形出现在工况6风上+地震上，启闭机层中柱连接梁上最大变形值为33.29 mm；竖向压缩变形出现在工况8风上，最大值为12.86 mm；水平面最大层间侧移出现在工况5地震上，Z向2层相对于1层最大层间侧移值为11.66 mm，变形云图见图5。③整体变形主要受重力、启闭机吊重和地震影响较大，风载对变形相对较小，增加幅度也已到达11.5%。④竖向变形主要受重力影响，其他荷载几乎无影响，有时反而降低最大竖向变形；⑤层间侧移主要受启闭机吊重、风载和地震影响较大影响，重力荷载几乎无影响。

(a)最大变形云图

(a)最大变形云图

荷载效应组合下钢排架层间均在规范允许值内，见表4。

表4 钢排架最大层间侧移计算结果表

5 结语

本文通过采用ANSYS Workbench软件对钢排架有限元静力学数值分析，有以下几点心得体会，希望能给相关设计时提供参考借鉴，不当之处欢迎批评指正。

1)建模时应考虑主要连接和荷载集中处筋板，优化设计时可增加筋板厚度和数量，从构造措施上避免局部计算应力过大，与实际使用情况更为相符。

2)钢排架强度与刚度计算结果满足要求，还应对其进行非线性分析以确定其稳定性是否满足要求和地震作用下响应谱分析以确定其动力效应，限于篇幅，可见笔者的相关论文。