環(huán)形鋼筋混凝土調(diào)壓塔有限元計(jì)算分析

□姬宏奎 吳宏軍 張 楠

環(huán)形鋼筋混凝土調(diào)壓塔有限元計(jì)算分析

□姬宏奎 吳宏軍 張 楠

對(duì)長(zhǎng)距離輸水線路上環(huán)形鋼筋混凝土調(diào)壓塔進(jìn)行有限元、各種荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行分析計(jì)算，最后完成配筋。

調(diào)壓塔；有限元；溫度作用；環(huán)形結(jié)構(gòu)

基于Midas有限元厚板單元計(jì)算，能夠快速輸出結(jié)構(gòu)彎矩、應(yīng)力、軸力及剪力等，根據(jù)輸出結(jié)果可以進(jìn)行配筋或根據(jù)應(yīng)力圖形進(jìn)行精確配筋。下面以某工業(yè)園輸水管道工程為例進(jìn)行計(jì)算分析。

1.調(diào)壓塔設(shè)計(jì)參數(shù)

某工業(yè)園輸水管道工程，輸水管道長(zhǎng)約14km。管道沿線布置調(diào)壓塔，其中最高調(diào)壓塔高度為28.1m。調(diào)壓塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，調(diào)壓塔高28.1m，壁厚800mm，內(nèi)徑2.5m，外徑4.1m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，地基土為砂巖土，變形模量50MPa，回填土采用碎石土，變形模量40MPa，基礎(chǔ)厚度1.5m，基礎(chǔ)以下采用樁基礎(chǔ)，樁徑1m，樁長(zhǎng)25m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35。

2.有限元建模

此次有限元分析采用Midas/GTS荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算，采用板單元模擬調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)，見圖1。材料屬性：均為C35混凝土，抗壓強(qiáng)度16.7MPa，彈性模量E＝31500MPa，溫度線膨脹系數(shù)e=1e-5/℃。特性：塔帽板單元厚度0.2m，塔身板單元厚度0.8m，基礎(chǔ)板單元厚度1.5m，單元尺寸控制為1m。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

荷載結(jié)構(gòu)法地基反力采用僅受壓?jiǎn)卧M地基反力,見圖2。荷載邊界條件：本次計(jì)算荷載主要為自重、風(fēng)壓力、水壓力、溫度作用，溫差根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料取為20℃。

圖2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算工況，根據(jù)檢驗(yàn)檢修及運(yùn)行具體情況將計(jì)算工況分為以下2種，見表1（工程處于6度地震區(qū)暫不進(jìn)行抗震分析，僅根據(jù)擬靜力法進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，未列復(fù)核計(jì)算內(nèi)容）。

表1 計(jì)算工況表

3.計(jì)算結(jié)果及分析

各工況計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2，工況一豎向及環(huán)向軸拉力及彎矩都較大，故其為控制工況。根據(jù)計(jì)算內(nèi)力進(jìn)行配筋，豎向配筋根據(jù)軸力及彎矩進(jìn)行偏心受拉或者偏心受壓計(jì)算配筋；對(duì)于比較關(guān)注的調(diào)壓塔環(huán)向配筋可以根據(jù)偏心受拉構(gòu)件也可以根據(jù) 《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)按應(yīng)力圖形配筋，按公式12.2.1，進(jìn)行計(jì)算，其中最大拉應(yīng)力為midas輸出的截面頂部應(yīng)力或底部應(yīng)力結(jié)果，受拉區(qū)面積根據(jù)截面頂部和底部應(yīng)力和軸力結(jié)果得出，兩種計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 環(huán)向配筋計(jì)算結(jié)果

兩者計(jì)算的受壓區(qū)基本吻合，應(yīng)力區(qū)大小相同，按應(yīng)力圖形配筋計(jì)算偏大，根據(jù) 《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）按應(yīng)力圖型配筋圖12.2.1分析可知，計(jì)算公式是簡(jiǎn)化為三角形，而實(shí)際應(yīng)力圖形并非規(guī)則三角形。

4.結(jié)論

采用有限單元模型分析計(jì)算調(diào)壓塔的受力，著重對(duì)環(huán)形方向配筋結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得出按應(yīng)力圖形配筋和按偏心受壓配筋公式計(jì)算配筋計(jì)算結(jié)果相差不大，從側(cè)面驗(yàn)證了輸出的彎矩及軸力的可靠性。為今后類似工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

2017-02-08

姬宏奎，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,工程師。

吳宏軍，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,工程師。

張 楠，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,高級(jí)工程師。