導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室有限元分析及應(yīng)力配筋

崔海濤,李 娟,曾 俊,王 偉

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津300222;2.天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司,天津300204)

0 引 言

某水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口主要由導(dǎo)流洞閘室、工作閘門和啟閉機(jī)排架等組成。進(jìn)口底板高程為1 170.0 m,正常運(yùn)行期水位為1 205.0 m。導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖1和圖2所示。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法對(duì)于這種三維空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化較多,難以反映結(jié)構(gòu)的整體作用效果?，F(xiàn)行《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)[1]對(duì)于應(yīng)力配筋做了簡(jiǎn)單的介紹,如何合理應(yīng)用有限元應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行閘室配筋,是一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的問題。本文采用ANSYS軟件模擬計(jì)算閘室在三種工況下的應(yīng)力和變形,并通過有限元法得到應(yīng)力對(duì)閘室進(jìn)行配筋計(jì)算。

1 導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室計(jì)算條件

1.1 計(jì)算工況及荷載

根據(jù)施工過程中可能出現(xiàn)的不利組合及正常運(yùn)用情況,選取如表1中所示的3種代表工況。

圖1 導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室平面圖

圖2 閘室A-A剖面圖

表1 計(jì)算工況和運(yùn)行條件

計(jì)算工況荷載根據(jù)水工荷載設(shè)計(jì)規(guī)范確定,計(jì)算工況1的荷載主要是結(jié)構(gòu)自重,計(jì)算工況2和計(jì)算工況3的荷載除了結(jié)構(gòu)自重外,還有上部結(jié)構(gòu)荷載、靜水壓力和揚(yáng)壓力等。

1.2 計(jì)算參數(shù)

閘室結(jié)構(gòu)混凝土采用常規(guī)C30混凝土。進(jìn)口開挖后,出露的巖體大部分為弱風(fēng)化中、下段(Ⅱ、Ⅲ類)巖體,大多呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu),閘室底板部位無軟弱帶存在,巖體以Ⅲ類為主,強(qiáng)度均一,計(jì)算中選取的材料物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖石、混凝土材料計(jì)算采用的物理參數(shù)

2 導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室有限元分析

2.1 計(jì)算模型

閘室的計(jì)算范圍選取在深度方向15 m巖基深度,在水平方向,閘室左右均取10 m寬基巖,閘室前面取15 m寬基巖,閘室后取30 m寬基巖,其中在閘室與導(dǎo)流洞接口的位置,模擬了部分山坡。

閘室混凝土結(jié)構(gòu)均采用三維8節(jié)點(diǎn)solid65混凝土實(shí)體單元離散,閘室地基采用solid45單元離散。網(wǎng)格剖分注意混凝土結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),在喇叭進(jìn)口,門槽等孔洞周邊和截面發(fā)生突變的部位適當(dāng)加密。閘室有限元模型總單元數(shù)為55 828,總節(jié)點(diǎn)數(shù)為65 557。圖3為有限元整體模型包括地基和閘室,圖4為閘室有限元計(jì)算模型。

圖3 閘室及基礎(chǔ)有限元計(jì)算網(wǎng)格

圖4 閘室有限元計(jì)算網(wǎng)格

坐標(biāo)系原點(diǎn)位于閘室底板上側(cè),順?biāo)鳛?x軸正向,垂直水流從右向左為y軸正向。

對(duì)于巖體邊界,在其垂直面上施加垂直于邊界面的鏈桿,底面邊界采用固定邊界[2]。

2.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果[3]如表3～表5所示。頂板上最大拉應(yīng)力為2.05 MPa,邊墻上最大拉應(yīng)力為2.22 MPa,底板上最大拉應(yīng)力為1.68 MPa。圖5～圖7分別為頂板、邊墻和底板應(yīng)力、位移等值線圖。

表3 3種工況下頂板應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果

表4 3種工況下邊墻應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果

表5 3種工況下底板應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果

3 導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室應(yīng)力配筋

3.1 有限元應(yīng)力配筋原理

現(xiàn)行《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)指出“無法按桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得截面內(nèi)力的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),可由彈性理論分析方法求得的結(jié)構(gòu)彈性主拉應(yīng)力確定鋼筋用量”。但是,對(duì)于三維的復(fù)雜結(jié)構(gòu),截面上各點(diǎn)的主拉應(yīng)力方向是不一致的,因此實(shí)際配筋中,很難沿主拉應(yīng)力的方向布置鋼筋,一般近似以x,y,z三個(gè)方向應(yīng)力配筋代替,即按照正應(yīng)力配筋[4]。

按照主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積計(jì)算在配筋方向的鋼筋截面積[5-6]As,并應(yīng)符合下式要求:

式中:K為承載力安全系數(shù);fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);T為由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計(jì)值(N);T=ω b,b為結(jié)構(gòu)截面寬度(mm);ω為截面主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積扣除其中拉應(yīng)力值小于0.45ft后的圖形面積(N/mm2),此處ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)。

圖5 閘室頂板第一主應(yīng)力和位移等值線圖

圖6 閘室邊墻第一主應(yīng)力和位移等值線圖

圖7 閘室底板第一主應(yīng)力和位移等值線圖

3.2 閘室應(yīng)力配筋

根據(jù)前述有限元計(jì)算的結(jié)果,選取3種工況下主拉應(yīng)力最大的工況來對(duì)閘室進(jìn)行配筋計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果底板和邊墻選取工況3(閘門雙孔關(guān)閉)來進(jìn)行配筋計(jì)算,頂板選取工況2(左孔開啟,右孔關(guān)閉)來進(jìn)行配筋計(jì)算。

分別在頂板、邊墻和底板上選取配筋方向上拉應(yīng)力最大的斷面,把最大拉應(yīng)力斷面上的最大拉應(yīng)力節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值列出,如表6～表9所示。根據(jù)表中節(jié)點(diǎn)應(yīng)力可以得到閘室結(jié)構(gòu)在配筋方向上的正拉應(yīng)力圖形[7],如圖8所示,圖中陰影面積表示正拉應(yīng)力面積。

表6 頂板下最大拉應(yīng)力斷面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

表7 頂板上最大拉應(yīng)力斷面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

表8 邊墻內(nèi)最大拉應(yīng)力斷面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

表9 底板下最大拉應(yīng)力斷面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

圖8 配筋方向上的應(yīng)力圖形

根據(jù)計(jì)算得到的應(yīng)力圖形對(duì)閘室進(jìn)行配筋,配筋結(jié)果見表10。在閘室邊墻外側(cè)、中墩和底板上側(cè)由于計(jì)算的配筋面積較小,故按照構(gòu)造配筋。

表10 閘室配筋表

4 結(jié) 論

有限元單元法在計(jì)算體型大結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),有著較大的優(yōu)越性,尤其是進(jìn)行空間整體計(jì)算更能反映結(jié)構(gòu)空間相互作用的效果。

計(jì)算結(jié)果說明導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室主拉應(yīng)力分布區(qū)域較廣,主要出現(xiàn)在頂板上側(cè)兩邊區(qū)域、頂板下側(cè)中間區(qū)域,邊墻外側(cè)與頂板和底板相交區(qū)域,邊墻內(nèi)側(cè)中間區(qū)域和底板下側(cè)區(qū)域等關(guān)鍵部位。

采用正應(yīng)力配筋,可以求出閘室結(jié)構(gòu)沿主要受力方向上的配筋數(shù)量,使結(jié)構(gòu)的配筋更加簡(jiǎn)單和明確。彈性有限元應(yīng)力配筋通常沒有驗(yàn)算混凝土裂縫寬度,如要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)抗裂和裂縫寬度還需要進(jìn)行三維非線性有限元分析[8],進(jìn)行裂縫控制配筋和優(yōu)化配筋,但是,彈性應(yīng)力配筋計(jì)算一般滿足結(jié)構(gòu)抗裂和裂縫寬度要求。利用有限元計(jì)算的應(yīng)力對(duì)閘室進(jìn)行初步配筋計(jì)算,是一種比較快捷的方法,但是還需要提高它的工程實(shí)用性。

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