溢洪道閘室底板及翼墻有限元配筋計算分析★

陶警圓 張元澤

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

溢洪道作為土石壩最主要的泄水建筑物，其運行穩(wěn)定直接關(guān)系到大壩結(jié)構(gòu)的安全，閘室作為溢洪道的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計在整個溢洪道設(shè)計中顯得十分關(guān)鍵。采用傳統(tǒng)方法對此類水工大體積混凝土進行精確的應力分析有相當?shù)碾y度，進而影響結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計。因此如何對大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行精確的應力計算和配筋是工程設(shè)計中十分關(guān)注的問題。本文以猴子巖溢洪道閘室底板及翼墻配筋設(shè)計為例[1]，采用有限元分析方法及ANSYS軟件進行應力計算，求得各工況下結(jié)構(gòu)的應力分布情況，通過應力積分將應力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力，從而確定結(jié)構(gòu)的配筋情況。

1 有限元模型和參數(shù)

由于結(jié)構(gòu)的單向尺寸遠大于其余兩向，滿足平面應變的計算條件，因此采用平面有限元計算方法來簡化計算。翼墻墻體選用平面結(jié)構(gòu)單元(Plane42單元)，庫水選用平面流體單元(Fluid29)，采用四邊形映射網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格尺寸控制在不大于0.5 m，翼墻與水交界面設(shè)置流固耦合邊界，有限元網(wǎng)格見圖1。

翼墻混凝土強度等級為C30，溢流堰抗沖耐磨混凝土等級為C35，底板混凝土等級為C20，模型巖體等級主要為Ⅲ2類，巖體的變形模量和抗剪強度取地質(zhì)建議值平均值，材料的主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 材料主要物理力學參數(shù)計算取值

選取受力情況最為不利的溢洪洞進口處斷面，正常運行工況下，翼墻內(nèi)側(cè)無水，主要荷載包括自重、翼墻上水重、翼墻外側(cè)靜水壓力、底部揚壓力、波浪壓力。底部揚壓力考慮0.5的折減系數(shù)，計算浪壓力為51 kN，作用在正常蓄水位高程左翼墻上。右側(cè)翼墻外側(cè)靜水壓力，考慮排水管的作用，取水頭26.5 m，底部考慮0.5的折減系數(shù)。

水平向地震加速度ah取297gal, 根據(jù)規(guī)范，豎直向地震加速度取水平向的2/3，所以av取198gal。

2 基于有限元法的配筋方法

2.1 配筋原理

非桿件體系大體積混凝土，根據(jù)規(guī)范DL/T 5057—2009水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，附錄D中相關(guān)規(guī)定：無法按桿件結(jié)構(gòu)力學方法求得截面內(nèi)力的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可由彈性力學分析方法求得結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的截面應力圖形，再根據(jù)拉應力圖形面積，確定承載力所要求的配筋數(shù)量[2]。

有限元配筋計算中可認為斷面的拉力值全部由鋼筋來承擔，配筋量采用有限元計算成果，參考其他工程經(jīng)驗確定。根據(jù)規(guī)范，對截面上的拉應力進行積分，得到各斷面的拉力值，受拉鋼筋截面配筋面積As滿足式(1)要求[3]：

(1)

其中，σt截面環(huán)向拉應力；As為單寬鋼筋配筋面積；T為截面單寬彈性總拉力；l為拉應力區(qū)分布長度；fy為鋼筋抗拉強度設(shè)計值，取360 N/mm2；γd為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.20。

假定配筋層數(shù)為a，鋼筋截面面積為A1，鋼筋間距為d(單位為cm)，則單位延米范圍內(nèi)的配筋滿足以下關(guān)系式：

(2)

2.2 應力計算

通過計算得出，正常運行工況下，各向應力分布見圖2,圖3，從圖中可以看出，橫向正應力最大值為0.186 MPa，方向向右，位于翼墻頂部，豎向應力最大值為1.52 MPa，方向向上，位于左翼墻墻趾處。

地震工況時，各向應力見圖4,圖5。從圖中可以看出，橫向正應力最大值為7.45 MPa，方向向右，位于左側(cè)翼內(nèi)側(cè)底部，豎向應力最大值為9.17 MPa，方向向上，位于右側(cè)翼墻墻踵處。

2.3 應力積分

根據(jù)正應力云圖，從斷面出現(xiàn)的拉應力區(qū)中選取拉力值最大的路徑，積分路徑示意圖見圖6,圖7。根據(jù)應力成果和應力積分路徑按照式(1)進行應力積分，得到拉力值后，按照式(2)進行配筋計算，計算成果如表2所示。

通過計算結(jié)果可見，正常運行工況下，X向最大拉力值很小，181 kN，只需構(gòu)造配筋；Y向最大拉力值出現(xiàn)在左側(cè)翼墻1 807 m高程截面(path4)，最大值為279 kN，配筋面積931 mm2。

地震工況，X向最大拉力值出現(xiàn)在底板靠近左側(cè)翼墻內(nèi)側(cè)截面(path1)，最大值為15 404 kN，配筋面積為51 346 mm2，靠近右側(cè)翼墻內(nèi)側(cè)上部截面(path2)拉力值5 064 kN，配筋面積16 881 mm2，下半截面(path3)拉力值5 641 kN，配筋面積18 802 mm2；Y向最大拉力值出現(xiàn)在左側(cè)翼墻1 807 m高程截面(path4)，最大值為19 416 kN，配筋面積64 719 mm2，右側(cè)翼墻1 807 m高程截面(path5)，拉力值4 151 kN，配筋面積13 837 mm2。經(jīng)分析對比，工程的實際配筋量與本計算的配筋量基本相當，此配筋方法可滿足工程實際的要求。

表2 沿路徑積分配筋成果

3 結(jié)語

采用有限元法計算結(jié)構(gòu)的應力,根據(jù)應力分布結(jié)果進行沿應力路徑積分的配筋方法能夠得到精確的應力分布成果，并且能夠清晰明了地反映應力分布規(guī)律與鋼筋布置型式之間的關(guān)系，計算結(jié)果能夠滿足規(guī)范的要求，對大體積混凝土的配筋設(shè)計具有廣泛的應用價值。

參考文獻：

[1] 中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院.四川省大渡河猴子巖水電站可行性研究設(shè)計報告[R].2009.

[2] 劉玲玲，吳永恒.有限元法在大體積混凝土結(jié)構(gòu)配筋計算中的應用[J].人民長江，2012,43(17):21-24.

[3] 張元澤，黃志澎，牟高翔，等.大崗山拱壩廊道三維靜力線彈性有限元分析及配筋方法研究[J].水電站設(shè)計，2014(2):13-16.