沂蒙抽水蓄能電站豎井式進/出水口蓋板有限元分析及配筋計算

張一鳴， 解偉， 蔣逵超， 孫海權(quán)

(1.北京勘測設(shè)計研究院,北京 100024； 2.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

沂蒙抽水蓄能電站豎井式進/出水口蓋板有限元分析及配筋計算

張一鳴1， 解偉2， 蔣逵超1， 孫海權(quán)1

(1.北京勘測設(shè)計研究院,北京 100024； 2.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

豎井式進/出水口施工方便，節(jié)約布局，能很好地滿足抽水蓄能電站的進/出水要求，是一種值得提倡的進/出水口結(jié)構(gòu)形式。本文依托沂蒙抽水蓄能電站項目的進/出水口設(shè)計項目，利用ANSYS有限元分析軟件建立了三維進/出水口蓋板模型，計算進/出水口蓋板的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(DL/T 5057-2009)》繪制EXCEL表格進行配筋和裂縫驗算。驗證結(jié)果表明，所得計算結(jié)果合理可靠。

豎井式進/出水口；有限元；配筋；裂縫

1 工程概況

沂蒙抽水蓄能電站初選裝機容量1 200 MW，為一等大(Ⅰ)型工程。電站的下水庫位于石嵐水庫右側(cè)支溝魯峪溝溝口處，壩址以上流域集水面積2.67 km2。上水庫位于劉家寨溝內(nèi)，壩址集水面積為0.33 km2。樞紐建筑物由上水庫、水道系統(tǒng)、下水庫、地下廠房系統(tǒng)及地面出線場和開關(guān)站等部分組成。上水庫采用瀝青混凝土面板堆石壩，全庫防滲；下水庫采用混凝土面板堆石壩，局部防滲；廠房位置采用首部布置方式；輸水系統(tǒng)和地下廠房布置在劉家寨溝與魯峪溝之間的山體內(nèi)。沂蒙抽水蓄能電站水道系統(tǒng)的主要建筑物包括上水庫進/出水口、引水隧洞、引水事故閘門井、壓力管道、高壓鋼岔管、尾水事故閘門室、尾水岔管、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞和下水庫進/出水口等。該工程于2015年6月正式開工，電站建成后的輸電系統(tǒng)接入山東電網(wǎng)，在電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用任務(wù)。

沂蒙抽水蓄能電站上水庫靠近南岸的庫形狹窄，沒有足夠位置布置岸邊側(cè)式進/出水口，對于上水庫進/出水口后接的引水隧洞段，需要穿過上水庫大壩的右壩肩，由于側(cè)式進/出水口有防渦梁段、漸變段、閘后方形段，施工較困難，不如井式進/出水口施工安全，且井式進/出水口能更好地滿足此段隧洞圍巖覆蓋厚度的要求。因此，該電站上水庫進/出水口采用井式進/出水口，該口由進/出口攔污柵段、垂直喇叭口擴散段、垂直整流段、彎管段和洞身段及閘門井段組成。

上水庫2個進/出水口分開平行布置，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；中心線間距50.0 m；進水口底部平臺尺寸32 m×82 m，高程560.3 m；進水口孔口(攔污柵孔口)高3.9 m，寬7.497～8.673 m，底板高程561.6 m。按戈登公式計算出的攔污柵孔口以上最小淹沒深度為2.0 m，考慮到一定的安全裕度，進/出水口底板高程取為560.3 m，蓋板頂高程567.0 m，低于死水位4.0 m。

文中采用有限元方法對沂蒙進/出水口蓋板進行配筋計算，通過ANSYS大型通用軟件建立空間進/出水口蓋板模型，施加荷載和邊界條件，計算得出其應(yīng)力圖形，根據(jù)應(yīng)力圖形計算受拉、受壓截面內(nèi)力，進而計算鋼筋截面面積，然后選配鋼筋；并通過裂縫計算得到調(diào)整鋼筋的選配結(jié)果，該結(jié)果為沂蒙抽水蓄能電站的技術(shù)施工提供參考。

2 進/出水口蓋板模型

蓋板厚1.0 m，半徑約14.4 m，支撐在10個分流墩上。采用SOLID 65單元建立模型并劃分網(wǎng)格[1-2]，節(jié)點69 867個，單元60 200個，井式進/出水口頂部蓋板和分流墩的三維有限元模型如圖1所示。分流墩底部采用固定邊界、全約束，其余面均為自由面。蓋板受力包括自重、水壓力、施工荷載和雪荷載，見表1。

圖1 進/出水口蓋板的三維有限元模型

荷載自重水壓力施工荷載雪荷載值/(kN/m3)259．81100．4方向豎直向下豎直向上豎直向下豎直向下

計算分兩種工況：工況一，施工工況，主要考慮自重、施工荷載、雪荷載；工況二，運行工況，主要考慮自重和水壓力。兩種工況下自重是恒力，方向豎直向下，恒力是此結(jié)構(gòu)的主要荷載。施工工況時的施工荷載和雪荷載的方向也是豎直向下，運行工況時的水壓力是豎直向上的。即運行工況比施工工況荷載簡單，所以按施工工況計算蓋板的應(yīng)力分布情況，依據(jù)該應(yīng)力結(jié)果得到的配筋分布即可以滿足規(guī)范要求。

對進/出水口蓋板模型的表面施加向下的均布荷載，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5057—2009)，取其結(jié)構(gòu)系數(shù)為1.2。對于荷載作用分項系數(shù)：自重的結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.05， 施工荷載和雪

荷載的結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.2[3-4]。荷載施加情況如圖2所示。

圖2 設(shè)計荷載和標(biāo)準(zhǔn)荷載分布(單位：mm)

3 有限元分析

由于一般配筋計算都在二維空間進行，所以在三維模型中尋找一個豎向剖面，根據(jù)非線性有限元計算的應(yīng)力結(jié)果，求得該剖面的最大、最小應(yīng)力，結(jié)果如圖3所示，截取應(yīng)力最大值所在截面的應(yīng)力結(jié)果和配筋選取截面，如圖4所示。

圖3 S1應(yīng)力結(jié)果(單位：MPa)

圖4 配筋選取截面

將應(yīng)力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力進行配筋計算，其方法如下：根據(jù)X向應(yīng)力圖， 在最大、最小應(yīng)力對應(yīng)節(jié)點處，找到頂板頂、底面對應(yīng)節(jié)點，將應(yīng)力線性化，當(dāng)應(yīng)力圖形接近直線時，可以簡化為直線，求出內(nèi)力，根據(jù)內(nèi)力情況計算配筋數(shù)。根據(jù)應(yīng)力圖形求內(nèi)力公式為：

Rmax=N/A+M/W，

(1)

Rmin=N/A-M/W。

(2)

式中：Rmax、Rmin分別為截面最大和最小應(yīng)力，可以從應(yīng)力圖上查到；N為截面軸力；M為截面彎矩；W為截面抗彎模量。

由圖3可以看出，進出水口蓋板整體應(yīng)力水平不高，大部分區(qū)域應(yīng)力小于1.0 MPa，局部地區(qū)第1主應(yīng)力較大，最大第1主應(yīng)力為2.2 MPa，最小第1主應(yīng)力為-1.15 MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在板的近似跨中，為受拉單元。由于中間板厚有所增加，最大應(yīng)力分布在板厚相對比較薄的A—A截面(圖5)和C—C截面(圖6)處。由于支座影響，蓋板在B—B截面(圖5)處產(chǎn)生負(fù)彎矩，此處第1主應(yīng)力值較大，且此處板底出現(xiàn)最小應(yīng)力，為受壓單元，此規(guī)律完全符合材料力學(xué)中平面情況的板的受力特點[5]，取此截面進行配筋分析。為了計算配筋，取A—A和C—C截面計算板底配筋，取B—B截面計算板的上層配筋。

圖5 A—A、B—B截面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖6 C—C截面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖7 A—A截面應(yīng)力線性化圖

圖8 B—B截面應(yīng)力線性化圖

圖9 C—C截面應(yīng)力線性化圖

各截面內(nèi)力按照式(1)和(2)進行應(yīng)力線性化，轉(zhuǎn)化為彎矩軸力，計算結(jié)果見表2。

表2 截面應(yīng)力轉(zhuǎn)化為彎矩軸力結(jié)果

4 配筋計算

根據(jù)內(nèi)力結(jié)果計算受拉和受壓鋼筋面積，然后選配鋼筋；根據(jù)選配鋼筋結(jié)果，如果該配筋率小于最小配筋率，則根據(jù)最小配筋率選配鋼筋。配筋計算結(jié)果見表3—5。表中γd為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ0N為拉力設(shè)計值，d1為受拉區(qū)鋼筋直徑，d2為受壓區(qū)鋼筋直徑，h1為按受拉區(qū)鋼筋算的截面有效高度，e為按受拉區(qū)鋼筋算的偏心距，e′為按受壓區(qū)鋼筋算的偏心距，ρmin為最小配筋率，b為截面寬度，a0為保護層厚度，fy為鋼筋抗拉強度設(shè)計值，a為受拉區(qū)鋼筋合力點至受拉區(qū)邊緣的距離，a′為受壓區(qū)鋼筋合力點至受壓區(qū)邊緣的距離，h2為按受壓區(qū)鋼筋算的截面有效高度，As為受拉區(qū)鋼筋計算面積，A′s為受壓區(qū)鋼筋計算面積，Amin為最小配筋面積。

表3 A—A截面配筋結(jié)果

表4 B—B截面配筋結(jié)果

表5 C—C截面配筋結(jié)果

此時，頂板上層可配5根直徑28 mm筋，下層5根直徑28 mm的鋼筋。A—A、C—C截面控制板的下層配筋，B—B截面控制板的上層配筋均為1 m長內(nèi)配筋，鋼筋間距200 mm，據(jù)此結(jié)果進行限裂驗算。按標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用影響的裂縫開展寬度wmax按下式進行驗算[6]，

(3)

(4)

(5)

由于鋼筋和混凝土的材料現(xiàn)場已經(jīng)選好，ftk、es為常數(shù)，As、c、b、ν、σ0為定值。從式(3)—(5)可以看出，配筋直徑和截面寬度內(nèi)配的鋼筋個數(shù)為裂縫寬度的控制因素，按200 mm配筋間距和減小裂縫開展寬度的原則只能通過增加鋼筋直徑來控制裂紋開展寬度。

荷載按標(biāo)準(zhǔn)值輸入計算裂縫開展情況，取承載能力極限狀態(tài)下選取的截面A—A、B—B、C—C進行計算，線性化計算結(jié)果見表6—9。

表6 A—A截面裂縫驗算結(jié)果

表7 A—A截面增大配筋直徑后的裂縫驗算結(jié)果

表8 B—B截面裂縫驗算結(jié)果

由表6知，A—A截面的wmax>0.25 mm，需加大配筋面積，下層選用5根直徑32 mm的鋼筋驗算。由表7知，當(dāng)A—A截面加大配筋直徑后wmax<0.25 mm,裂縫滿足要求。由表8知，B—B截面的wmax<0.25 mm,裂縫滿足規(guī)范要求[3]。

表9 C—C截面裂縫驗算結(jié)果

由表9知，C—C截面的wmax<0.25 mm,裂紋滿足規(guī)范要求。因此，頂板上層選用5根直徑28 mm的鋼筋，下層選用5根直徑32 mm的鋼筋，裂縫寬度滿足規(guī)范要求[3]。

5 結(jié)語

本文以沂蒙抽水蓄能電站豎井式進/出水口蓋板配筋為例，應(yīng)用ANSYS軟件建立模型，并計算變形和應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果正確反應(yīng)進/出水口的應(yīng)力狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠依據(jù)。編制的配筋EXCEL表格，有效提高了工作效率，簡化了計算，配筋結(jié)果與其他類似項目的實際結(jié)果相吻合，符合一般工程經(jīng)驗。文中的計算方法為類似工程的配筋計算提供參考。

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[3]中國建筑科學(xué)研究院.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S].南京：江蘇人民出版社，2012.

[4]電力工業(yè)部中南勘測設(shè)計研究院,水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范：DL/T 5077—1997[S].北京：中國電力出版社，1997.

[5]孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)(Ⅰ)[M].4版.北京：高等教育出版社,2002.

[6]長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：DL/T 5057—2009 [S].北京：中國水利水電出版社，2009.

(責(zé)任編輯：杜明俠)

Finite Element Analysis and Reinforcement Calculation on Shaft Type Inlet/Outlet Cover of Yimeng Pumped-storage Power Station

ZHANG Yiming1, XIE Wei2, JIANG Kuichao1, SUN Haiquan1

(1.Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China; (2.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The shaft type inlet/outlet deserves recommendation with convenient construction, economical layout and meeting the requirement of inlet/outlet of the pumped-storage power station. This paper established the model of shaft inlet/outlet cover using the finite element analysis software ANSYS based on the design of inlet/outlet of Yimeng pumped-storage power station, and calculated the stress state of the cover, then calculated the reinforcement and checked cracks by drawing EXCEL tables according toHydraulicConcreteStructureDesignCriterion(DL/T 5057—2009). The results have been approved to be reasonable and reliable.

shaft type inlet/outlet; finite element analysis; reinforcement calculation; crack checking

2016-09-30

張一鳴(1983—)，女，河南開封人，工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:187334466@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.015

TV743;TV13

A

1002-5634(2016)06-0083-06