三河口水库门槽快捷施工云车静力学数值分析

牛 闻，安术鑫，董旭荣

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

1 概述

陕西省引汉济渭工程为Ⅰ等大（一）型工程,三河口水利枢纽为引汉济渭工程的两个水源工程之一,位于子午河佛坪县大河坝乡,总库容为7.1 亿m3,主要由双曲拱坝、坝身泄洪放空系统、引水系统和坝后抽水发电厂房等组成,枢纽校核水位644.70 m、设计洪水位642.95 m、正常蓄水位643.00 m、死水位558.0 m、坝顶高程646.0 m。引水系统放水塔位于坝体右侧,共1孔,底槛高程543.0 m,塔顶高程646.0 m,取水设计流量为72.71 m3/s、可逆机组抽水流量为18 m3/s。取水方式为分层取表层水,进口设上、下层隔水闸门,隔水闸门前设1扇通高拦污栅,隔水闸门后设1扇斜角84°布置的平面事故闸门,事故闸门后接洞径4.5 m的引水洞。从节约工程建设工期和成本、减少施工人员劳动强度和安全等因素考虑,该部位4 套高门槽均采用门槽埋件快捷安装技术施工,放水塔闸门、拦污栅及其门槽特性参数见表1。

表1 放水塔闸门、拦污栅及其门槽特性参数表

续表1

根据现场施工组织工序,并结合门槽快捷安装技术特点,每孔门槽需各设1 套云车,其中拦污栅门槽和清污机导槽间距较小考虑其共用1 套,共需4 套,保证每层埋件可随土建混凝土进度同时完成。云车主要由空间桁架结构、提升装置、连接固定件等组成,利用桁架将埋件连接成整体,依靠联合受力体系,保证在埋件一期安装精度,同时通过专门的提升设计,实现悬挂施工和自爬升,保证每层埋件随土建混凝土进度同时完成。由于本工程各闸门埋件每节标准长度为6.5 m,而土建施工时混凝土浇筑每层标准高度为4.5 m,考虑云车与下层混凝土接触高度为3 m,每套云车高度取9 m。限于篇幅,本文仅对下层隔水闸门门槽云车进行静力学分析计算,其主框架模型见图1。

图1 云车主框架整体模型图

2 荷载及荷载组合

2.1 主要荷载及其计算

根据云车的实际工作情况和荷载规范[1],主要由以下荷载组成：

（1）自重载荷

云车主结构采用1∶1全尺寸建模,在计算过程中添加施加重力加速度即可以实现结构自重荷载。在ANSYS Workbench中赋予门叶重力加速度载荷为9.806 m/s2,自重载荷施加见图2。

图2 自重载荷施加示意图

（2）浇筑期混凝土侧压力载荷

根据云车工作状况,混凝土压力矢量方向由闸墩内指向门槽内,即浇筑期混凝土侧压力作用在埋件与混凝土接触面上,根据混凝土浇筑高度按下式计算：

式中：p为浇筑期混凝土侧压力,kN/m2；a为浇筑混凝土动力系数,取1.4；ρ为浇筑期混凝土密度,取2500 kg/m3；g为重力加速度,取9.806 m/s2；h为混凝土浇筑高度,取4.5 m。

浇筑期混凝土侧压力宽度范围为埋件与混凝土接触面,高度范围为浇筑层底缘到顶部4.5 m,压力从埋件顶部的0 MPa逐渐增加到底部的0.155 MPa。浇筑期混凝土侧压力采用ANSYS中的HydrostaticPressure（静水压强）梯度载荷进行施加,埋件最上部压力值为0 MPa（最小值）,下部为0.155 MPa（最大值）。浇筑期混凝土侧压力载荷施加见图3。

图3 浇筑期混凝土侧压力载荷施加示意图

（3）风荷载标准值按下式计算：

式中：w为风压设计值,kN/m2； 为组合系数,取0.6；βz为高度z处的风振系数,取1；s为风荷载体型系数,取1.2；

z 为风压高度变化系数,属于山区建筑物,距塔底最低处约120 m,取2.1；wo为基本风压,0.35 kN/m2。

风荷载宽度范围为云车孔口内结构表面上下游面,高度范围为云车孔口内整个结构上下游面,由于放水塔下游侧紧邻大坝风荷载方向仅考虑沿水流方向。风荷载采用ANSYS中的Pressure进行施加。风载荷施加见图4。

图4 风压载荷施加示意图

2.2 荷载组合

根据云车的实际工作情况并结合实际运行情况,选取以下四种计算工况：

（1）工况一：正常工作状态下,云车底部位于底槛上,浇筑高4.5 m的混凝土,此状态下主要考虑作用在埋件上的浇筑期混凝土侧压力及云车自重荷载。

荷载组合：云车结构自重+底层浇筑期混凝土侧压力。

（2）工况二：正常工作状态下,云车底部位于底槛上,在基本风载作用下,浇筑高4.5 m的混凝土,此状态下主要考虑作用在埋件上的浇筑期混凝土侧压力、云车自重荷载以及风荷载。

荷载组合：云车结构自重+底层浇筑期混凝土侧压力+风载荷。

（3）工况三：正常工作状态下,云车底部位于已浇筑凝固后混凝面下3 m,继续向上浇筑高4.5 m的混凝土,此状态下主要考虑作用在埋件上的浇筑期混凝土侧压力及云车自重荷载。

荷载组合：云车结构自重+中上层浇筑期混凝土侧压力。

（4）工况四：正常工作状态下,云车底部位于已浇筑凝固后混凝面下2 m,在基本风载作用下,继续向上浇筑高4.5 m的混凝土,此状态下主要考虑作用在埋件上的浇筑期混凝土侧压力、云车自重荷载以及风荷载。

荷载组合：云车结构自重+中上层浇筑期混凝土侧压力+风载荷。

3 模型

3.1 模型及模型处理

云车和埋件采用实体建模后导入ANSYS Workbench,进行网格划分,选取Solid185八节点六面体实体单元作为主结构网格的主单元。模型总体坐标系进行如下设定：坐标原点设置在云车底部对称中点部位, X轴正向为垂直水流向, Z轴正向指向水流上游方向, Y轴正向指向重力反方向, X轴、Y轴、Z轴符合笛卡尔坐标系右手螺旋法则。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）。

为保证计算精度和计算时间,最终划分完成的网格模型见图5,其中工况一和工况二网格单元数量为677320、节点数量为1436439,工况三和工况四网格单元数量为915280、节点数量为1858458。

图5 云车网格模型

3.2 约束边界条件

云车与埋件之间实施时采用丝杆顶紧,并现场焊接部分连接筋,故偏安全计算云车结构,不考虑云车与埋件联合受力。上述各种工况下的约束施加方式如下：

工况一和工况二下,云车和埋件底部固定约束（Fixed Support）；工况三和工况四下,云车底部固定约束（Fixed Support）,下部6.5 m高埋件与混凝土接触面全部固定约束（Fixed Support）。计算模型各工况的约束边界条件见图6。

图6 云车约束设置示意图

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[2],故在结构后处理中提取Von Mises应力验算埋件和云车承载力,应力值应不大于规范[3-5]规定值。埋件和云车变形主要通过验算结构位移值应不大于规范规定值。埋件和云车各工况荷载效应组合下的位移和应力值见表2,埋件和云车各工况荷载效应组合下的总位移和总VonMises应力云图见图7、图8、图9和图10。

图7 埋件总位移云图

图8 云车总位移云图

图9 埋件总Von Mises应力云图

图10 云车总Von Mises应力云图

表2 荷载组合工况下埋件和云车位移和应力表

4.1 位移结果分析

由表2荷载组合工况下埋件和云车位移可以看出：① 在上述四种工况组合下,埋件和云车在实施中最大总位移分别为1.8475 mm和0.5902 mm,能满足闸门埋件安装规范和钢结构设计规范要求,变形云图见图7和图8；② 由工况三和工况四位移值可以看出,风荷载对埋件和云车在实施中基本无影响；③ 埋件由于受浇筑期混凝土压力影响,在侧轨X垂直水流方向上出现主要控制的位移值,底层最大值为1.8473 mm、中上层最大值为1.4201 mm；④ 云车在各种工况下整个实施中变形基本相等,变形在三个方向也基本相等,且均不大于0.6 mm,变形较小。

4.2 应力结果分析

由表2荷载组合工况下埋件和云车总VonMises应力值可以看出：①在上述四种工况组合下,埋件和云车在实施中最大总VonMises应力值分别为180.73 MPa和166.95 MPa,能满足闸门埋件设计规范和钢结构设计规范要求,应力云图见图9和图10；② 由工况三和工况四总VonMises应力值可以看出,风荷载对埋件和云车在实施中基本无影响。③ 埋件由于受浇筑期混凝土压力影响,除侧轨在最底层出现最大总VonMises应力值外,中上层埋件最大应力值均相对较小。

5 结语

基于上述对云车计算分析,为闸门埋件采用门槽快捷施工工艺实施期埋件一期埋设安装质量,提供了可靠的数据支撑。