地下廠房下部結(jié)構(gòu)三維有限元分析

曾 銳，李經(jīng)緯

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海200434）

地下廠房下部結(jié)構(gòu)三維有限元分析

曾 銳，李經(jīng)緯

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海200434）

本文結(jié)合厄瓜多爾TP水電站工程實例，采用國際通用有限元軟件ANSYS，建立地下廠房蝶閥層以下結(jié)構(gòu)三維有限元模型。依據(jù)美國ACI 318等規(guī)范及技術(shù)標準，著重考慮尾水管、集水井內(nèi)外水壓力，研究地下廠房下部結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，對應(yīng)力、位移等計算成果做出評價，并通過應(yīng)力成果對結(jié)構(gòu)進行配筋分析和計算，可為其他相關(guān)工程提供設(shè)計參考依據(jù)。

地下廠房；下部結(jié)構(gòu)；三維有限元；配筋

1 概況

TP水電站位于厄瓜多爾境內(nèi)，二級地下廠房規(guī)模為66.4 m×27.3 m×47.4 m（長×寬×高），裝機204 MW，設(shè)計水頭233 m，引用流量100 m3/s。從進場交通洞開始依次布置副廠房和主廠房，副廠房下游側(cè)布置安裝間，主變設(shè)在主廠房內(nèi)，緊靠發(fā)電機組下游側(cè)布置，設(shè)3臺13.8/230 kV升壓變壓器，開關(guān)站為地面開敞式，出線等級為230 kV，站內(nèi)設(shè)有出線等設(shè)備，與國家電網(wǎng)連接。主廠房共3臺機組，機組間距16 m，發(fā)電機層高程744.00 m，機組安裝高程738.00 m，水輪機層高程732.00 m，蝶閥層高程729.00 m。地下廠房圍巖以安山巖及巖屑凝灰?guī)r為主，圍巖類別主要以III類為主，上覆巖土體厚度約為191 m。本文采用有限元分析軟件ANSYS對地下廠房蝶閥層以下結(jié)構(gòu)進行三維有限元數(shù)值仿真分析，以期為工程設(shè)計提供參考。

2 計算模型與參數(shù)

2.1 計算模型

以蝶閥層729.00 m高程以下結(jié)構(gòu)（包括蝶閥基礎(chǔ)、尾水管以及集水井）進行建模分析，計算模型深度取1～2倍控制段高度，此次計算模型底部取至704.70 m高程。模型坐標系采用笛卡爾坐標系，x軸方向為地下廠房長度方向，y軸方向為機組順水流方向，z軸方向為豎直向。采用六面體八節(jié)點等參單元（局部采用四面體單元）進行網(wǎng)格劃分，模型共劃分單元數(shù)為77 802個，節(jié)點數(shù)為84 470個，其中廠房結(jié)構(gòu)單元數(shù)為36 927個，節(jié)點數(shù)為42 454個。模型底部為固定約束，基礎(chǔ)側(cè)向按法向連桿約束考慮。

2.2 計算參數(shù)

2.2.1 材料參數(shù)

下部結(jié)構(gòu)材料為C280混凝土，C280混凝土和基巖計算材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2.2.2 特征水位

發(fā)生水擊時尾水最高涌浪水位752.00 m.s.n.m，對應(yīng)正常發(fā)電水位高程738 m，地震動水壓力按Westergaard公式計算，即：

式中：ah為水平向地震作用系數(shù)，取0.21；H0為尾調(diào)室底板頂高程（722.50 m）距正常發(fā)電水位的高度；h為尾水洞中心線高程（726.85 m）距正常發(fā)電水位的高度。

地震時對應(yīng)水位為738+2.42=740.42 m，小于752.00 m，計算尾水位時取752.00 m.s.n.m?？紤]到廠房周邊均有排水孔，取外側(cè)水位為733.00 m.s.n.m。

集水井內(nèi)部水位考慮最不利情況，水位取至頂板底部728.60 m.s.n.m，水泵室無水，另一側(cè)水池滿水。

2.2.3 蝶閥層729.00 m高程以上結(jié)構(gòu)、設(shè)備自重及活荷載

729.00 m高程以上結(jié)構(gòu)、設(shè)備自重以及活荷載簡化為以均布力的形式施加于729.00 m平面上與結(jié)構(gòu)有接觸的部位。

結(jié)構(gòu)自重通過三維建模軟件Microstation統(tǒng)計得出，三維模型見圖2，上部結(jié)構(gòu)總體積為6 858.04 m3，737.5 m高程以上梁、板及頂拱的部分重量直接傳至地基（樁號為CT0+010.90～CT0+015.60），應(yīng)予以扣除，因此上部結(jié)構(gòu)傳至底板的重量為141 587.17 kN。與結(jié)構(gòu)有接觸部位的面積為368.5 m2，其分布見圖2。

設(shè)備重量傳至729.00 m高程，與機墩基礎(chǔ)接觸面的重量為29 340 kN，傳至蝶閥基礎(chǔ)的重量為2 868 kN，傳至729.00 m高程周邊與上部結(jié)構(gòu)接觸面的重量為3 678 kN。

729.00 m高程以上活荷載傳至底板荷載為82 202 kN，各層平面活載根據(jù)EM1110-2-3001規(guī)范要求取值。

2.2.4 活荷載

根據(jù)EM1110-2-3001，取作用于高程729.00 m平面（集水井及走廊過道）的活荷載為10 kPa，作為其最不利活荷載考慮。

2.3 設(shè)計荷載組合和荷載系數(shù)

此次計算主要考慮完建工況（Unusual-1）、蝶閥緊急開啟工況（Unusual-2）、正常運行工況（Usual），3種工況下結(jié)構(gòu)受力形式見表2。

根據(jù)EM1110-2-2104，水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載工況組合：

式中：Uh為水工結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載；D為恒載；L為活載；Hf為水力系數(shù)，僅在水流沖刷部位考慮，即尾水管內(nèi)表面，取1.3。

圖1 729.00 m高程以上模型

圖2 729.00 m高程平面與上部結(jié)構(gòu)接觸面積示意圖

表2 荷載及工況組合

3 三維有限元計算及成果分析

本文只考慮豎向荷載，因此對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)只需復(fù)核應(yīng)力是否滿足要求，對于橫向板結(jié)構(gòu)可作為純彎曲構(gòu)件進行考慮，而對于豎向板應(yīng)同時考慮彎曲+軸向荷載。各控制工況下結(jié)構(gòu)整體位移及應(yīng)力云圖見圖3，可見結(jié)構(gòu)最大的總位移值為2.5 mm，位于尾水管進口頂板區(qū)域，量值較小?？傮w上，位移和應(yīng)力的規(guī)律基本合理。

圖3 結(jié)構(gòu)整體位移及應(yīng)力云圖

通過應(yīng)力值可得到下部結(jié)構(gòu)各部位的最大彎矩值，最大彎矩值計算結(jié)果如表3所示。其中，尾水管頂部經(jīng)常受到水流沖刷，在彎矩計算時應(yīng)考慮2.3的水力系數(shù)。

對于集水井上游側(cè)邊墻、集水井中隔板、集水井下游側(cè)邊墻可作為彎曲+軸向荷載考慮，但是由于集水井中隔板、集水井下游側(cè)邊墻Z向產(chǎn)生的均是壓應(yīng)力，且頂部荷載較小，可判定在豎向荷載作用下不產(chǎn)生Y向彎曲破壞；另外，集水井上游側(cè)邊墻在頂部有很小的拉應(yīng)力，但是Y向的應(yīng)力差值不大，因此產(chǎn)生的彎矩較小。由此對于集水井上游側(cè)邊墻、集水井中隔板、集水井下游側(cè)邊墻按照構(gòu)造配筋即可。考慮集水井、729 m高程底板防滲水，最小配筋率按ACI 350-06選擇，底板不分縫，長度為45.3 m，取最小配筋率0.5%（雙面），且單面配筋面積不大于1 500 m2，相當于?18@150。其他大體積混凝土部位，根據(jù)EM1110-2-2104要求，取最小配筋率0.28%，考慮溫度和收縮應(yīng)力，最大面積等于每面按30.48 cm間距設(shè)置9號鋼筋，相當于?20@150。

經(jīng)對集水井頂板、底板、中隔墻、邊墻及上下游邊墻和尾水管頂板等不利部位進行剪力復(fù)核，得到各部位剪力均滿足抗剪要求，無需配置抗剪鋼筋。

表3 廠房底板729.0 m高程以下部位最大彎矩值kN·m

表4為廠房底板729.0 m高程以下部位配筋計算最終結(jié)果匯總表，經(jīng)驗證配筋成果能滿足規(guī)范要求。

表4 廠房底板729.0 m高程以下部位配筋計算結(jié)果

4 結(jié)語

本文通過ANSYS建立地下廠房蝶閥層以下結(jié)構(gòu)三維有限元模型，計算分析和研究了結(jié)構(gòu)整體位移變形和應(yīng)力狀態(tài)，著重研究尾水管等重要部位的受力狀態(tài)。通過應(yīng)力成果得到彎矩，從而根據(jù)彎矩值進行結(jié)構(gòu)的配筋計算，配筋成果能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全要求，計算過程和成果是合理可靠的，可為其他類似工程的設(shè)計提供參考經(jīng)驗。

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［4］ACI 318-11，Building Code Requirements for Structural Concrete［S］.

［5］ACI 350-06，Code requirements for environmental engineering concrete structures and commentary［S］.

［6］EM 1110-2-2104，Strength Design for Reinforced-Concrete Hydraulic Structures［S］.

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