AUTOCAD/ANSYS在盤石頭水庫(kù)泄洪洞高進(jìn)水塔工程中應(yīng)用*

鄭州大學(xué)環(huán)境與水利學(xué)院 趙曉西

黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 李 英

上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 趙海燕

AUTOCAD/ANSYS在盤石頭水庫(kù)泄洪洞高進(jìn)水塔工程中應(yīng)用*

鄭州大學(xué)環(huán)境與水利學(xué)院 趙曉西

黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 李 英

上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 趙海燕

為了將大型有限元通用程序ANSYS更好的適用于實(shí)際工程，實(shí)現(xiàn)有限元法與工程設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，形成結(jié)構(gòu)分析、校核、優(yōu)化設(shè)計(jì)CAD技術(shù)一體化。本文，筆者采用專門為ANSYS的三維線彈性有限元靜動(dòng)力計(jì)算結(jié)果而編制的后處理程序?qū)幽鲜→Q壁市盤石頭水庫(kù)高進(jìn)水塔進(jìn)行內(nèi)力分析，為工程設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)，解決了工程實(shí)際問(wèn)題。

目前，一般的工程結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題，都可以直接用通用程序求解，不必再花費(fèi)精力和時(shí)間另編計(jì)算程序。由于進(jìn)水塔體型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)力學(xué)方法在切取具有代表性的危險(xiǎn)截面時(shí)，很難顧及到每個(gè)部位，有些部位取水平斷面會(huì)由于難以找到合適的支座而無(wú)法計(jì)算，只有取豎直斷面計(jì)算。根據(jù)進(jìn)水塔孤立高大及塔身雙向受力的特點(diǎn)，早期的應(yīng)力分析方法是首先假定結(jié)構(gòu)與地基剛性連接，在進(jìn)水塔的不同高程上截取有代表性的截面取單位高度成為平面框架，用以分析結(jié)構(gòu)的水平向應(yīng)力；在順?biāo)骰虼怪彼鞣较蛏锨腥∝Q向剖面選單寬而成為多層平面框架，用來(lái)分析結(jié)構(gòu)的鉛直向應(yīng)力。把重力、土壓力和靜水壓力等簡(jiǎn)化為均布荷載作用到各桿件上進(jìn)行靜力分析；以質(zhì)量乘以某慣性綜合系數(shù)作為地震慣性力，利用Westergaard近似公式計(jì)算出動(dòng)水壓力作為靜荷載加到結(jié)構(gòu)受力的最大方向上進(jìn)行最不利組合擬靜力應(yīng)力分析。這種方法就是現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。

一、工程實(shí)例

盤石頭水庫(kù)是海河流域衛(wèi)河支流淇河上的一座大型水庫(kù)，壩址位于河南省鶴壁市西南15km的盤石頭村附近。水庫(kù)的任務(wù)以防洪、工業(yè)及城市供水為主，兼顧農(nóng)田灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等。水庫(kù)總庫(kù)容6.08億m3，屬大（2）型水庫(kù)，主要建筑物有：大壩、泄洪洞、溢洪道、輸水洞及電站等。工程等級(jí)為二等，大壩、泄洪洞、溢洪道、輸水洞按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，地震設(shè)防烈度7度。水庫(kù)特征指標(biāo)及主要建筑物運(yùn)用方式見(jiàn)表1。

盤石頭水庫(kù)泄洪洞分為兩條，布置在右岸雞冠山下。兩洞軸線夾角9.9866°，在進(jìn)口處相距約160m，出洞后在下游尾水渠交匯。1號(hào)泄洪洞位于左側(cè)，洞身位置較高，進(jìn)口洞底高程215.0m，2號(hào)泄洪洞早期為導(dǎo)流洞，洞身位置較低，施工后期導(dǎo)流洞進(jìn)口封堵，改建成龍?zhí)ь^型式，進(jìn)口洞底高程也是215.0m，兩洞均為無(wú)壓隧洞。1號(hào)泄洪洞與2號(hào)龍?zhí)ь^洞進(jìn)口閘室布置形式及尺寸完全相同，工程布置如下：閘室前為混凝土圓弧翼墻連接段，閘室段長(zhǎng)度30.0m，采用設(shè)壓板的有壓短管體型，設(shè)一道事故平板檢修閘門，閘門尺寸6.5m×7.8m（寬×高），用一臺(tái)4000kN固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)啟閉。檢修門后設(shè)弧型工作鋼閘門，閘門尺寸為6.5m×6.5m（寬×高），采用單吊點(diǎn)搖擺式1600kN/320kN油壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。進(jìn)口段頂板采用x2/8.52-y2/3.42=1橢圓曲線，兩側(cè)墻不收縮，檢修門槽采用Ⅱ型門槽，弧形門前頂部壓板坡度為1∶4。閘室末端為6.5× 8.1m（寬×高）的矩形。閘室上部豎井采用全封閉的鋼筋混凝土框架式結(jié)構(gòu)，斷面為矩形，檢修門井與工作門井之間設(shè)隔墻。檢修門井在261.0m高程設(shè)檢修平臺(tái)，工作門井在233.69m高程設(shè)工作平臺(tái)，安放油壓?jiǎn)㈤]機(jī)及油缸。操縱室設(shè)在278.0m高程，房屋凈高為6.0m，設(shè)有交通橋連接通往大壩的交通道路。

表 1 水庫(kù)特征水位及正常運(yùn)行期主要建筑物控制運(yùn)用方式

盤石頭水庫(kù)泄洪洞進(jìn)水塔塔頂高程▽278m，操縱室頂高程▽285.5m。塔體寬11.5m，基巖面高程▽211m，總高度67m，最大長(zhǎng)度30m，塔體沿順?biāo)鞣较驅(qū)ΨQ。塔體下游高程▽245m以下與山體間用回填混凝土和回填石渣充填。回填石渣要求分層夯實(shí)，回填料可以利用開(kāi)挖出的強(qiáng)弱風(fēng)化石渣?；鶐r面高程的存在增加了進(jìn)水塔的穩(wěn)定性，弧形工作門支鉸部位流道側(cè)墻背靠高程▽211m至▽245m，坡度1∶0.3的巖體。塔上設(shè)備的重量就整個(gè)塔體來(lái)看相對(duì)較小，但就局部而言又是較大的，這些重力通過(guò)梁板傳至塔體毋庸置疑地會(huì)在局部產(chǎn)生集中應(yīng)力。

由于工程地位重要，自然條件復(fù)雜，泄洪建筑物體型和受力情況均較特殊。采用一般的結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)方法，考慮的因素和邊界條件過(guò)分簡(jiǎn)化擔(dān)心失真，特別是塔體的地震反應(yīng)分析問(wèn)題。因此，采用線彈性三維有限元法對(duì)2號(hào)泄洪洞進(jìn)水塔進(jìn)行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與論證。

二、程序介紹

MPML是專為ANSYS的三維線彈性有限元靜力計(jì)算結(jié)果的內(nèi)力分析而編制的后處理程序，功能齊全且使用簡(jiǎn)單，是在DigitalVisualFortran5.0版本上完成并運(yùn)行的。它根據(jù)ANSYS三維8結(jié)點(diǎn)單元的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，將指定斷面的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力，可以求出指定斷面指定構(gòu)件的軸力N、剪力Q和彎矩M，并生成內(nèi)力的描述文件（.SCR文件），通過(guò)AutoCAD可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)力圖的顯示與打印輸出。在用ANSYS進(jìn)行有限元分析之后，會(huì)產(chǎn)生一系列數(shù)據(jù)文件。將分別存放著結(jié)構(gòu)的單元結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的基本參數(shù)數(shù)據(jù)文件，按一定的格式輸入儲(chǔ)存在NODE和STR文件中。MPML將要從這兩個(gè)文件中讀取這些信息，以供內(nèi)力計(jì)算之用。

三、截面內(nèi)力計(jì)算基本原理

如圖1，OX為截面法線方向，且為截面的中性軸，OY為截面的切線方向，S1、S2和q1、q2為至中性軸距離為y1、y2的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，截面的高度為2h。由結(jié)構(gòu)力學(xué)中截面內(nèi)力分量的基本概念，可以推導(dǎo)出截面內(nèi)的軸力、剪力和彎矩的計(jì)算公式為：

四、計(jì)算結(jié)果

盤石頭水庫(kù)高進(jìn)水塔塔頂高程278m，操作室頂高程285.5m，塔體寬11.5m，基巖面高程211m，總高67m，最長(zhǎng)為30m，塔體沿順?biāo)鞣较驅(qū)ΨQ。有限元計(jì)算對(duì)稱模型左半塔體及地基共剖分32665個(gè)空間塊體單元，36116個(gè)節(jié)點(diǎn)。

繪制出進(jìn)水塔工作門擋水和檢修門擋水兩種工況指定截面的內(nèi)力分布情況，準(zhǔn)確地表明了進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)水平面內(nèi)和鉛直面內(nèi)的受力特點(diǎn)，如表2所示。

由于用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算框架中的桿，前提是桿件的幾何特征是橫截面尺寸要比長(zhǎng)度小得多，即跨高比在8～12之間。而進(jìn)水塔承受高水頭的作用一般截面尺寸較大，切取出框架中的桿件明顯具有深梁的性質(zhì)，即跨高比L/H小于2.0～3.0。深梁通過(guò)壓縮剛度和剪切剛度把荷載傳到支座上，主要問(wèn)題是抗剪及局部承壓。另外，進(jìn)水塔體型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)力學(xué)方法在切取具有代表性的危險(xiǎn)截面時(shí)，很難顧及到每個(gè)部位，有些部位取水平斷面會(huì)由于難以找到合適的支座而無(wú)法計(jì)算，只有取豎直斷面計(jì)算。結(jié)構(gòu)力學(xué)方法還無(wú)法解決例如弧形工作門支座處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，進(jìn)水塔的靜力計(jì)算只用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，存在有不足之處，計(jì)算結(jié)果只能是一種大致的估計(jì)，無(wú)法精確計(jì)算應(yīng)力。

表 2 工作門擋水和檢修門擋水兩種工況指定截面最大靜內(nèi)力

由計(jì)算結(jié)果和內(nèi)力圖表分析看出，各個(gè)截面的靜內(nèi)力大都符合傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)規(guī)律。最大的軸向壓力發(fā)生在工況關(guān)檢修門擋水，位置在截面2，垂直Y軸方向高程219.0m水平剖面檢修門槽處，其大小為483.26×10kN；最大剪力發(fā)生在工況關(guān)工作門擋水，其大小為112.99×10kN，位置在截面3；最大彎矩發(fā)生在工況Ⅲ關(guān)檢修門擋水截面五，其大小為113.39×10kN·M，垂直X軸方向樁號(hào)0+079.3m豎直剖面進(jìn)水塔下部結(jié)構(gòu)。由ANSYS的三維有限元后處理程序MPML計(jì)算出的內(nèi)力，很好地反映出了進(jìn)水塔的內(nèi)力分布具有結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，所以采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)基本上是可行的，但在局部區(qū)域中應(yīng)參考三維有限元的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)采用三維有限元進(jìn)行計(jì)算，可以更好地反映地基特性、邊界條件和結(jié)構(gòu)的整體性，使設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)、合理和安全可靠。

本文，筆者討論了進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究方法，選用能準(zhǔn)確模擬原結(jié)構(gòu)的空間三維有限單元法，對(duì)盤石頭水庫(kù)泄洪洞進(jìn)水塔在四種荷載組合工況下，應(yīng)力分布的一般規(guī)律作了系統(tǒng)分析。

由計(jì)算結(jié)果和內(nèi)力圖表分析看出，各個(gè)截面的靜內(nèi)力大都符合傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)規(guī)律。最大的軸向壓力發(fā)生在關(guān)檢修門擋水工況，位置在截面2，垂直Y軸方向高程219.0m水平剖面檢修門槽處，其大小為483.26×10kN；最大剪力發(fā)生在關(guān)工作門擋水工況，其大小為112.99×10kN，位置在截面3；最大彎矩發(fā)生在關(guān)檢修門擋水工況截面5，其大小為113.39×10kN·M，垂直X軸方向樁號(hào)0+079.3m豎直剖面進(jìn)水塔下部結(jié)構(gòu)。由ANSYS的三維有限元后處理程序MPML計(jì)算出的內(nèi)力，很好地反映出了進(jìn)水塔的內(nèi)力分布具有結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，所以采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)基本上是可行的，但在局部區(qū)域中應(yīng)參考三維有限元的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)采用三維有限元進(jìn)行計(jì)算，可以更好地反映地基特性、邊界條件和結(jié)構(gòu)的整體性，使設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)、合理和安全可靠。運(yùn)用ANSYS解決工程實(shí)際問(wèn)題，應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合本專業(yè)的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出使用方便、操作簡(jiǎn)單的專用分析軟件，這也是通用程序的一個(gè)發(fā)展方向。

浙江省新世紀(jì)高等教育改革·生產(chǎn)實(shí)踐改革與探索研究（ZC2010122）。