白鶴灘泄洪洞進(jìn)水塔流道鋼襯及支撐體系有限元分析

陳 敏，康建榮，羅 剛

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

白鶴灘泄洪洞進(jìn)水塔流道鋼襯及支撐體系有限元分析

陳 敏，康建榮，羅 剛

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

金沙江白鶴灘水電站泄洪洞進(jìn)水口采用鋼筋混凝土岸塔式進(jìn)水塔，進(jìn)水塔前端設(shè)事故檢修閘門，后端設(shè)工作弧形門；兩閘門之間為有壓段，設(shè)計(jì)流速為25m/s～29m/s，為保證高流速運(yùn)行條件下流道結(jié)構(gòu)不被破壞，在有壓段底板、頂部、兩側(cè)布置了不銹鋼復(fù)合鋼板進(jìn)行防護(hù)。鋼襯布置跨度為15m,為了確保鋼襯在安裝澆筑過程中不發(fā)生變形、移位，需在鋼襯內(nèi)外側(cè)增加支撐措施。本工程采用ANSYS通用有限元計(jì)算軟件對(duì)鋼襯支撐體系和鋼襯本身進(jìn)行了建模分析，通過模型計(jì)算驗(yàn)證各種澆筑工況情況下鋼襯和支撐體系內(nèi)力情況和變形情況，以保證施工質(zhì)量和安全。

金沙江 白鶴灘水電站 鋼襯 支撐體系 有限元 變形分析

1 概述

1.1 工程概況

白鶴灘水電站泄洪洞進(jìn)水塔位于大壩左岸，共設(shè)有三條泄洪洞。三條泄洪洞布置相同，在每個(gè)泄洪洞進(jìn)口分別設(shè)置一道事故閘門門槽和一扇事故閘門，閘門的操作采用單向門機(jī)借助液壓自動(dòng)抓梁進(jìn)行。每條泄洪洞進(jìn)口設(shè)置1扇工作閘門，閘門選用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。泄洪洞進(jìn)水塔檢修門槽、工作門槽及二者之間的流道周邊設(shè)鋼板襯護(hù)，由頂襯、側(cè)襯和底襯組成，每孔頂襯上各設(shè)置兩條通氣孔。鋼襯為不銹鋼復(fù)合鋼板，壁厚24mm，復(fù)層(過流面層)為(α+γ)雙相不銹鋼022Cr23Ni5Mo3N(S22053)鋼板，厚度4mm，基層為Q345C，厚度為20mm。鋼襯外布置肋板，肋板斷面為矩形，間距0.5m×1.0m，肋板、吊耳、內(nèi)支撐和埋件等采用Q345C。單個(gè)進(jìn)水口的鋼襯長度約20m，共分10節(jié)進(jìn)行布置，單節(jié)順?biāo)鞣较蜷L度為1.8m,跨度為15m,最大高度12m，頂襯坡度為1∶5。

1.2 鋼襯加固體系簡(jiǎn)介

泄洪洞進(jìn)水塔流道邊墩鋼襯外部采用L80×5mm的等邊角鋼進(jìn)行外拉，沿水流方向按照1.8m的間距布置，高度方向等間距布置8道；鋼襯內(nèi)部采用φ48扣件式腳手架搭設(shè)滿堂支撐架，滿堂架立桿沿水流方向間距80cm,垂直于水流方向間距60cm,橫桿步距80cm,整個(gè)滿堂架設(shè)置水平向、縱橫向剪刀撐進(jìn)行加固。為了滿足斜坡高度變化的需要，每根立桿頂部設(shè)置可調(diào)頂托進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)頂托上部布置1∶5坡度的楔形木方，以保證支撐體系與鋼襯的有效接觸傳力。

圖1 進(jìn)水塔流道鋼襯及支撐體系布置簡(jiǎn)圖

1.3 分析目的

本次計(jì)算以鋼襯第一管節(jié)為例，采用ANSYS通用有限元計(jì)算軟件，模擬混凝土澆筑過程，通過三維靜力分析，達(dá)到驗(yàn)證選型的支撐方案是否合理安全，并通過計(jì)算優(yōu)化支撐體系的設(shè)計(jì)方案。了解不同澆筑工況下鋼襯變形情況，在滿足變形條件的情況下盡量減少澆筑工序、節(jié)約施工成本。

2 基本計(jì)算資料

2.1 計(jì)算模型

取鋼襯第一管節(jié)作為計(jì)算段，建立鋼襯及其內(nèi)外支撐系統(tǒng)三維有限元計(jì)算模型。計(jì)算模型中鋼襯采用Solid45實(shí)體單元模擬，內(nèi)外支撐采用Beam188梁?jiǎn)卧M。模型單元總數(shù)為33399，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為62222，巨大的計(jì)算規(guī)?？梢杂行У乇ＷC結(jié)構(gòu)分析模型的計(jì)算精度。鋼襯內(nèi)支撐布置及有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見圖2、圖3。

圖2 鋼襯內(nèi)支撐布置

圖3 鋼襯內(nèi)支撐三維有限元計(jì)算模型

2.2 材料參數(shù)

材料的主要物理力學(xué)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

表1 各區(qū)材料主要物理力學(xué)參數(shù)的計(jì)算取值

編號(hào)材料名密度(kg/m3)彈性模量(GPa)泊松比1C9030混凝土2400280.1672鋼襯Q345C78502060.253內(nèi)部支撐架管A48(外徑)厚3mm78502060.254外部支撐等邊角鋼80×5mm78502060.25

2.3 計(jì)算荷載

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮的計(jì)算荷載如下：

2.3.1 鋼襯結(jié)構(gòu)自重

鋼襯的自重按公式(1)計(jì)算

Gγ=γm×Vγ

(1)

式中，Gγ為計(jì)算塊計(jì)算單元的自重(kN)；γm為計(jì)算塊鋼襯重度(kN/m3)；Vγ為計(jì)算塊計(jì)算單元的相應(yīng)體積(m3)。

自重荷載作用分項(xiàng)系數(shù)為1.0。

2.3.2 混凝土澆筑壓力

不同工況按混凝土的澆筑過程計(jì)算澆筑壓力，澆筑壓力作用分項(xiàng)系數(shù)為1.0。計(jì)算中考慮的混凝土澆筑壓力包括：①高程770m～773m(層高3m)間混凝土施加在側(cè)襯上的壓力；②高程773m～776m(層高3m)間混凝土施加在側(cè)襯上的壓力；③上部澆筑2m層高混凝土施加在頂襯上的壓力。

澆筑壓力計(jì)算公式為：

Pwq=γw×H

(2)

式(2)中，Pwγ為混凝土澆筑壓力(kN/m2)；γw=24kN/m3，為混凝土的重度；H為作用高度(m)。

計(jì)算中，混凝土澆筑壓力全部按照分布面力施加在相應(yīng)的作用面的節(jié)點(diǎn)上。經(jīng)計(jì)算混凝土對(duì)側(cè)襯的壓力取值為72kN/m2，頂部混凝土對(duì)頂襯的荷載為48kN/m2。

2.4 邊界條件

鋼襯底部已澆筑混凝土且達(dá)到一定強(qiáng)度，采用3向(X、Y、Z)全約束；兩側(cè)面約束根據(jù)計(jì)算工況施加約束或荷載。鋼襯假定為各向同性、均勻連續(xù)的彈性體，澆筑壓力只作用在相關(guān)面上。

2.5 計(jì)算工況

在有限元靜力計(jì)算中，主要考慮以下工況，見(表2)，荷載組合見表3。

表2 工況表

序號(hào)工 況1一側(cè)澆筑3m高混凝土,另一側(cè)未澆筑2一側(cè)澆筑6m高混凝土,另一側(cè)澆筑3m高混凝土3混凝土已澆筑至鋼襯頂部2m高

表3 荷載及約束組合

工況荷 載約 束1自重+單側(cè)3m高混凝土側(cè)壓力(高程770m～773m)底襯三向約束2自重+兩側(cè)3m高混凝土側(cè)壓力(高程770m～773m)+單側(cè)3m高混凝土側(cè)壓力(高程773m～776m)底襯三向約束3自重+兩側(cè)3m高混凝土側(cè)壓力(高程779m～782m)+頂部2m高混凝土壓力底襯三向約束+779m以下兩側(cè)三向約束

2.6 坐標(biāo)系約定

為了便于建模和成果整理，計(jì)算中采用整體直角坐標(biāo)系，約定如下：

順河向從上游到下游為坐標(biāo)軸X正向；垂直向上為坐標(biāo)軸Y正向，Y坐標(biāo)值與結(jié)構(gòu)布置高程一致；利用右手坐標(biāo)系的規(guī)定，坐標(biāo)軸Z的正向?yàn)樗綇臉屑~左岸向右岸為正。

3 位移成果與分析

為了便于成果分析比較，約定：位移值“+”號(hào)表示該結(jié)構(gòu)部位的位移與相應(yīng)的坐標(biāo)軸正向一致，“-”號(hào)表示與各坐標(biāo)軸負(fù)向一致。如果沒有特別說明，計(jì)算結(jié)果均為在整體直角坐標(biāo)系下的位移值。各計(jì)算工況下，鋼襯及其內(nèi)外支撐位移特征值見表4；典型工況(以工況3為例)位移云圖見圖4～圖7。

表4 各工況鋼襯及其內(nèi)外支撐位移特征值表 單位：mm

圖4 工況3鋼襯及其內(nèi)外支撐順河向位移云圖(單位：m)

圖5 工況3鋼襯及其內(nèi)外支撐鉛直向位移云圖(單位：m)

圖6 工況3鋼襯及其內(nèi)外支撐橫河向位移云圖(單位：m)

圖7 工況3鋼襯及其內(nèi)外支撐合位移云圖(單位：m)

分析結(jié)果可知，澆筑工況1、2位移均滿足設(shè)計(jì)要求(單個(gè)方向變形小于2mm，最大變形小于3mm)，即保證兩側(cè)澆筑層高差在3m范圍內(nèi)(兩側(cè)交替澆筑)，鋼襯變形即可滿足要求。工況3豎向沉降為1.8mm，向上游位移有3.25mm，考慮到整個(gè)鋼襯相對(duì)于單個(gè)管節(jié)鋼襯抵抗荷載引起的水平向變形效果要好，可認(rèn)為實(shí)際澆筑過程中水平向上游位移應(yīng)遠(yuǎn)小于3.25mm，滿足變形要求的。

4 應(yīng)力成果與分析

各工況下，鋼襯等效應(yīng)力峰值及最大切應(yīng)力峰值見表5，鋼襯典型工況(以工況2、3為例)的等效應(yīng)力分布云圖見圖8、圖9；內(nèi)、外支撐軸力峰值見表6，典型工況軸力分布云圖見圖10。

表5 各工況鋼襯應(yīng)力峰值 單位：MPa

圖8 工況2鋼襯等效應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

圖9 工況3鋼襯等效應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

表6 各工況內(nèi)外支撐軸力峰值 單位：N

注：表中“+”表示支撐系統(tǒng)桿件受拉；表中“-”表示支撐系統(tǒng)桿件受壓。

圖10 現(xiàn)有方案工況3內(nèi)支撐軸力分布云圖(單位：N)

表7 鋼襯強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 單位：MPa

外支撐角鋼承載力：F=Af=791.2×215N=170108N

由計(jì)算結(jié)果可知，鋼襯等效應(yīng)力和最大切應(yīng)力均能滿足設(shè)計(jì)要求。內(nèi)外支撐系統(tǒng)受力也未超過承載力允許值。

5 結(jié)論

(1)由計(jì)算結(jié)果可知，鋼襯兩側(cè)混凝土澆筑施工時(shí)，鋼襯變形均能達(dá)到要求，鋼襯頂部混凝土澆筑施工時(shí)，鋼襯變形有所超標(biāo)(大于3mm)，但主要為向上游的變形，由于本次僅針對(duì)單節(jié)鋼襯進(jìn)行建模分析，實(shí)際澆筑時(shí)10節(jié)鋼襯整體安裝焊接完成，對(duì)于抵消順?biāo)鞣较虻淖冃问怯欣?，同時(shí)將滿堂排架搭設(shè)范圍向鋼襯布置范圍外延伸50cm,進(jìn)一步的約束鋼襯上下游方向的變形；

(2)各計(jì)算工況中鋼襯及支撐系統(tǒng)的應(yīng)力均能滿足要求，且留有余地，考慮到施工過程中人員設(shè)備的影響及目前的支撐排架有不同程度的銹蝕和損傷，可以認(rèn)為按計(jì)算的支撐方案進(jìn)行施工是合理的，也是經(jīng)濟(jì)的；

(3)根據(jù)原設(shè)計(jì)要求進(jìn)水塔左右邊墩需同時(shí)澆筑，同高程上升，這就必須布置2套澆筑入倉設(shè)備，根據(jù)分析當(dāng)采用上述加固措施后，分左右邊墩不大于3m的高差下進(jìn)行澆筑，鋼襯的變形是可控的，這就大大減少了施工資源的投入，從而節(jié)約施工成本；

(4)計(jì)算采用的邊界條件為底襯和側(cè)部三向約束，只有在底部和側(cè)部混凝土達(dá)到有效的強(qiáng)度才能滿足此邊界條件，因此，施工過程中必須嚴(yán)格控制澆筑間歇時(shí)間，使其強(qiáng)度達(dá)到約束條件。

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TV651.3∶TV314

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2095-1809(2017)02-0003-04