某泵站前池三維有限元分析

趙 斌

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021）

某泵站前池三維有限元分析

趙 斌

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021）

結(jié)合某泵站的工程實(shí)例，采用三維有限元分析軟件對(duì)泵站前池建立三維實(shí)體模型，分析了設(shè)計(jì)工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力，為工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，對(duì)類(lèi)似工程具有一定的借鑒意義。

泵站；前池；三維有限元；應(yīng)力

1 概述

衡水市某泵站位于輸水管線(xiàn)始端，由進(jìn)水前池和泵房組成，設(shè)計(jì)流量1.15m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程55.5m，泵站內(nèi)布置4臺(tái)水泵，3用1備。前池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸為19.7m×11.8m，底板頂高程10.40m，厚1.0m，邊墻頂高程18.1m，厚0.7m。為便于水泵機(jī)組檢修，前池內(nèi)設(shè)置4孔檢修閘，單孔寬3.9m，中墩厚0.9m。前池最高水位17.30m，設(shè)計(jì)水位15.00m，最低運(yùn)行水位12.65m。

前池內(nèi)布置有閘墩，底板、立墻、閘墩相互約束，當(dāng)選取單寬板條進(jìn)行二維簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，較難準(zhǔn)確考慮相鄰板條間的變形協(xié)調(diào)及不平衡內(nèi)力。因此，建立了三維模型對(duì)該泵站前池進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

2 建立計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)分析采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行。

2.1 模型選取范圍

地基按半無(wú)限彈性體考慮，建立地基模型時(shí)按前池周?chē)?倍底板尺寸取用，順?biāo)鞣较蛏舷掠胃魅?1.8m，垂直水流方向兩側(cè)各取19.7m，厚度取20m，即地基實(shí)體模型尺寸為59.1m×35.4m×20m （長(zhǎng)×寬×厚）。前池根據(jù)所擬定的幾何尺寸生成三維實(shí)體模型。由于前池及其所受荷載沿順?biāo)鞣较蜉S線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，為了減少單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)量，從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間，按照程序有關(guān)原則，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。泵站前池及地基三維實(shí)體模型如圖1。

圖1 泵站前池及地基三維實(shí)體模型

2.2 約束條件

地基底面及四周側(cè)面均施加法向約束，根據(jù)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，對(duì)于前池結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)軸平面也施加法向約束。

2.3 材料屬性

前池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，容重25kN/m3，彈性模量3.0×104MPa。地基以粘土、壤土為主，綜合變形模量取3.5MPa。前池周?chē)靥钔寥葜?9.2kN/m3，粘聚力15kPa，內(nèi)摩擦角18°。

3 計(jì)算與分析

3.1 荷載及計(jì)算工況

根據(jù)本工程特點(diǎn)結(jié)合類(lèi)似工程擬定兩種工況：①工況1：建筑物閉水試驗(yàn)，前池內(nèi)最高水位17.3m，池外尚未填土；②工況2：完建工況，前池內(nèi)無(wú)水，池外填土至設(shè)計(jì)高程。

結(jié)構(gòu)所受主要荷載為：靜水壓力、側(cè)向土壓力、邊荷載等。根據(jù)基本資料計(jì)算荷載并將其施加于三維模型，各工況荷載標(biāo)準(zhǔn)值有：

（1）前池底板頂面均布水壓力67.6kN/m2，作用于立墻的三角形水壓力分布荷載最大值67.6kN/m2。

（2）作用于前池立墻的三角形土壓力分布荷載最大值71kN/m2，前池周?chē)切芜吅奢d最大值103.7kN/m2。

作用于前池底板的靜水壓力為均布荷載，作用于邊墻的水壓力、土壓力按三角形分布荷載考慮，邊荷載按梯形分布荷載考慮。

3.2 成果分析

經(jīng)求解計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變等成果，計(jì)算工況下泵站前池（左半邊結(jié)構(gòu)）主要應(yīng)力云圖如圖2。

圖2 泵站前池（左半邊結(jié)構(gòu)）計(jì)算工況應(yīng)力云圖

從計(jì)算成果可以看出本工程前池結(jié)構(gòu)受力有以下特點(diǎn)：

（1）閉水試驗(yàn)工況前池較大拉應(yīng)力主要分布在上游立墻與底板交接處及四周立墻交接處的迎水面，最大值3.38MPa。完建工況前池底板、立墻各部位應(yīng)力均較小，相對(duì)較大的拉應(yīng)力主要分布在底板上游側(cè)及上游立墻根部，最大值1.05MPa。

（2）前池下游側(cè)布置有閘墩，底板、立墻、閘墩相互約束，剛度較大，具有較強(qiáng)的抵抗變形能力，因此該區(qū)域整體呈現(xiàn)應(yīng)力較小的特點(diǎn)。閘墩的布置減小了底板和下游立墻的跨度，大大改善了其受力狀態(tài)。

（3）四周立墻除了受到底板的約束外，還受到相鄰立墻的約束，因此，立墻的不同部位按所處的約束條件體現(xiàn)出不同的受力特點(diǎn)。上游立墻垂直水流方向較長(zhǎng)，越靠近順?biāo)鞣较驅(qū)ΨQ(chēng)軸，其受力特點(diǎn)就越接近懸臂板，主受力方向?yàn)樨Q向，與底板銜接處應(yīng)力最大。在相鄰立墻銜接的部位，越遠(yuǎn)離底板，其受力特點(diǎn)越接近平面框架，主受力方向?yàn)闄M向，立墻頂部應(yīng)力最大。

根據(jù)前池各計(jì)算工況下不同部位的應(yīng)力空間分布特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行有針對(duì)性的配置鋼筋。對(duì)于上游立墻與底板交接處及四周立墻交接處等拉應(yīng)力較大的區(qū)域加強(qiáng)配筋，拉應(yīng)力較小的部位、受壓區(qū)等區(qū)域根據(jù)受力情況適當(dāng)減少或按構(gòu)造配筋。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立三維有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，更加準(zhǔn)確地考慮了構(gòu)件間的變形協(xié)調(diào)條件，得到了結(jié)構(gòu)的三維力學(xué)成果，反映出應(yīng)力的空間分布，突破了二維計(jì)算簡(jiǎn)化模型的局限性，為工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，使結(jié)構(gòu)配筋更具有針對(duì)性，設(shè)計(jì)成果在技術(shù)上可靠的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)上更加合理。

［1］龔曙光.ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例分析（第一版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］龍馭球.彈性地基梁的計(jì)算（第1版）［M］.北京：人民教育出版社，1982.

［3］沈英武.彈性地基梁和框架分析文集（第一版）［M］.北京：水利出版社，1980.

［4］SL265—2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］SL191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Analysis of a pumping station forebay by means of the three-dimensional finite element method

ZHAO Bin
（The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China）

In this article，combined with the engineering example of a pumping station， stress of the pumping station forebay in consideration of design condition was analyzed by means of the three-dimensional finite element method，it provided the basis data for engineering design and could be a reference for similar engineering.

pump station； forebay； three-dimensional finite element； stress

TV222

B

1672-9900（2015）02-0031-03

2015-03-17

趙 斌（1978－），男（漢族），河北石家莊人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作，（Tel）13398610119。