西藏果多水電站進(jìn)水口大型牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

駱世威 肖蕾 申顯柱 楊鵬

摘要：西藏果多水電站進(jìn)水口頂部因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及門機(jī)布置、運(yùn)行需求，需在兩側(cè)端部向上游各懸挑7.35 m的大型牛腿。對(duì)于該類型大體積牛腿，按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算，計(jì)算所得配筋很小，不滿足最小配筋率；但若按最小配筋率選筋，則往往配筋量較大、布置密集，影響混凝土的澆筑施工和振搗密實(shí)，而西藏高寒地區(qū)對(duì)于混凝土施工質(zhì)量控制要求嚴(yán)格。結(jié)合果多水電站工程，采用多種方法對(duì)大體積混凝土進(jìn)行配筋計(jì)算，并運(yùn)用有限元法進(jìn)行配筋驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)論證，得到較為合理、經(jīng)濟(jì)的配筋結(jié)果。在滿足結(jié)構(gòu)功能需求的前提下，建議盡可能減小牛腿結(jié)構(gòu)尺寸，另外在設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)盡可能避免該類型大體積懸挑結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：牛腿；配筋；有限元；果多水電站

中圖分類號(hào)：TV314 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.01.024

近幾年，我國(guó)水利水電工程發(fā)展迅速，工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，與此同時(shí)，各類工程問(wèn)題愈發(fā)突出。譬如，某些水工建筑物鑒于結(jié)構(gòu)布置需求，難免出現(xiàn)部分體形較大、跨度較長(zhǎng)的懸挑結(jié)構(gòu)，牛腿是較為常見(jiàn)的一種型式，也是工程研究的重點(diǎn)。彭榮[1]針對(duì)牛腿的分類、構(gòu)造及計(jì)算等，介紹了工程中常見(jiàn)的牛腿種類及構(gòu)造上的特點(diǎn)，并從安全設(shè)計(jì)的角度詳細(xì)地闡述了牛腿計(jì)算思路、應(yīng)注意的問(wèn)題；劉洪瑞等[2]利用有限元軟件建立三維有限元模型對(duì)預(yù)應(yīng)力牛腿進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)在牛腿中部存在使結(jié)構(gòu)不滿足B類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求的拉應(yīng)力；楊靜安等[3]采用規(guī)范方法和有限元方法對(duì)牛腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算研究，對(duì)牛腿結(jié)構(gòu)的受力和變形特征進(jìn)行分析，提出進(jìn)水塔塔頂牛腿的設(shè)計(jì)建議；吳曉玲等[4]針對(duì)三峽大壩壩頂大牛腿，采用有限元法對(duì)壩體大牛腿及常規(guī)牛腿應(yīng)力水平進(jìn)行了分析，對(duì)大牛腿的配筋方法進(jìn)行了探討；宋修昌等[5]針對(duì)大型工程泄水孔的上、下游牛腿施工期應(yīng)力復(fù)雜、配筋計(jì)算方法不明確等難題，采用有限元法對(duì)施工期牛腿澆筑進(jìn)行了計(jì)算，得到施工期牛腿各個(gè)澆筑層之間的應(yīng)力變化情況，從而進(jìn)行合理的配筋設(shè)計(jì)。

可見(jiàn)，除采用常規(guī)牛腿配筋設(shè)計(jì)方法對(duì)大體積牛腿進(jìn)行計(jì)算分析外，越來(lái)越多的學(xué)者試圖尋求另外的途徑來(lái)解決大體積牛腿設(shè)計(jì)及配筋問(wèn)題。而筆者在采用常規(guī)方法對(duì)果多水電站進(jìn)水口大牛腿進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)時(shí)，算得配筋量由最小配筋率控制，但果多水電站進(jìn)水口牛腿跨度長(zhǎng)、體形大，即使按最小配筋率配筋也是鋼筋量極大、布置極密，導(dǎo)致混凝土澆筑、振搗質(zhì)量得不到保證，且鋼筋耗量大，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。因此，在參考上述文獻(xiàn)和同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)果多水電站進(jìn)水口大體積牛腿配筋設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究分析。

1 工程概況

1.1 基本資料

果多水電站位于西藏自治區(qū)昌都縣，為扎曲規(guī)劃的第二個(gè)梯級(jí)電站，壩址以上流域面積為33470km2，壩址多年平均流量為303m3/s，電站以發(fā)電為主，水庫(kù)正常蓄水位為3418m，死水位為3413m。正常蓄水位以下庫(kù)容為7959萬(wàn)時(shí)，調(diào)節(jié)庫(kù)容為1746萬(wàn)時(shí)，具有周調(diào)節(jié)性能，電站裝機(jī)容量160mW（4×40MW）。

該牛腿挑寬7.35m，外邊緣高2.00m，下接1：1.84斜坡與壩體相交，根部高度6.00m，門機(jī)上游側(cè)軌道位于牛腿頂面，距上游壩面2.90m。牛腿結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖1。

1.2 材料及荷載

C20混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=9.6N/mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.10N/mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=1.54N/mm2，彈性模量Ec=2.55×104N/mm2，泊松比μ=0.167，鋼筋混凝土容重γ=25kN/m3，結(jié)構(gòu)系數(shù)γd=1.2。

進(jìn)水口啟閉機(jī)為輪式，軌道一側(cè)共2組4輪，輪組布置如圖2所示。最大單個(gè)輪壓P1=P2=385kN，軌距8.0m，輪距7.0m，將兩輪受力簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)的合力，即Fvk=2P1=770kN，按《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，豎向荷載動(dòng)力系數(shù)采用1.05，則荷載作用設(shè)計(jì)值Fv=889.35kN。

2 牛腿計(jì)算

2.1 牛腿高度驗(yàn)算

牛腿頂面拉力Fhk=0、豎向力作用點(diǎn)至下柱邊緣的水平距離a=2900mm，牛腿與下柱交接處的垂直截面有效高度為

h0=h1-as+ctanθ=5650mm式中：h1為牛腿外邊緣高度；as為鋼筋保護(hù)層厚度；c為牛腿外挑水平距離；θ為牛腿斜面與水平面夾角。

根據(jù)《新編水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取裂縫控制系數(shù)θ=0.65。

因故滿足裂縫控制條件。

2.2 縱向受拉鋼筋配筋計(jì)算

2.2.1 常規(guī)牛腿方式計(jì)算

因剪跨比a/h0=2900/5650=0.51>0.2，鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=360N/mm2，故

2.2.2 簡(jiǎn)化牛腿方式計(jì)算

按牛腿配筋公式計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3，有效高度取牛腿下部三角形區(qū)域，有效高度h0=4000-50=3950mm時(shí)，剪跨比a/h0=2900/3950=0.734>0.2，可得As=2560.55mm2<ρminbh0=5925mm2。

2.2.3 懸臂梁方式計(jì)算

計(jì)算斷面見(jiàn)圖4，其中截面有效高度h0=5700-

2.2.5 有限元方法配筋計(jì)算

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5057-2009），無(wú)法按桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)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(xué)分析方法或試驗(yàn)方法求得結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的截面應(yīng)力圖形。本文采用大型通用有限元軟件ANSYS中的結(jié)構(gòu)模塊和各向同性線彈性材料本構(gòu)模型，計(jì)算得到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部彈性應(yīng)力場(chǎng)。在后處理器中，選取高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力最大斷面的典型路徑[6-9]，進(jìn)行應(yīng)力路徑積分。根據(jù)彈性應(yīng)力圖形“拉正壓負(fù)”的特點(diǎn)，積分曲線峰值即為單位寬度結(jié)構(gòu)的彈性總拉力T。同理，選取應(yīng)力小于材料抗拉強(qiáng)度的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行積分，即可得混凝土承擔(dān)的彈性總拉力Tc[6]?？紤]門機(jī)一組輪距為0.9m，因此模型厚度取0.9m，計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

坐標(biāo)系X軸正向指向下游、Y軸鉛直向上、Z軸垂直河流方向。計(jì)算荷載采用牛腿自重+門機(jī)軌道荷載組合。邊界條件設(shè)定為模型底部全約束、頂部挑出2.9m處施加門機(jī)軌道荷載，計(jì)算云圖見(jiàn)圖6。

在輪壓及牛腿自重作用下，牛腿頂部最大主應(yīng)力基本沿X向，對(duì)牛腿根部最危險(xiǎn)截面A-A截面拉應(yīng)力進(jìn)行積分，結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

根據(jù)規(guī)范，當(dāng)截面在配筋方向的正應(yīng)力圖形偏離線性較大時(shí)，受拉鋼筋截面積As應(yīng)符合下列規(guī)定：

偏安全考慮，假定拉應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)，即Tc=0，根據(jù)圖8應(yīng)力積分可得寬度0.9m范圍內(nèi)牛腿配筋面積：

則單寬范圍內(nèi)As≥2455.3÷0.9=2728.11mm2。配筋計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，按照常規(guī)牛腿計(jì)算得到的縱向受拉鋼筋截面積最小；按簡(jiǎn)化牛腿、懸臂梁及有限元應(yīng)力圖形法計(jì)算得到的鋼筋截面積基本相當(dāng)；按規(guī)范規(guī)定的大體積混凝土方式考慮配筋截面積最大，但所有計(jì)算配筋截面積均遠(yuǎn)小于按結(jié)構(gòu)最小配筋率的配筋截面積。

3 結(jié)語(yǔ)

研究了大體積牛腿在不同計(jì)算模式下縱向受拉鋼筋截面積取值情況，綜合分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)有限元法驗(yàn)算分析可知，在牛腿自重與頂部門機(jī)軌道荷載共同作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部總拉應(yīng)力值并不大，基本呈線性分布，且取寬度0.9m單獨(dú)模擬而未考慮牛腿結(jié)構(gòu)整體作用，因此按有限元應(yīng)力圖形法算得的配筋量已基本滿足要求。但考慮結(jié)構(gòu)存在外部不利因素（西藏高海拔凍融及門機(jī)軌道動(dòng)荷載循環(huán)損傷作用等）及結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，建議選取上述不同模式配筋計(jì)算結(jié)果中較大值。

（2）大體積牛腿若按規(guī)范計(jì)算配筋，一般由最小配筋率控制，而非實(shí)際計(jì)算結(jié)果，且配筋量較大，鋼筋布置較密。從目前果多水電站進(jìn)水口大牛腿施工及運(yùn)行情況來(lái)看，本研究提出的配筋設(shè)計(jì)方法是可靠合理的，且極大地提高了結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。

（3）各計(jì)算方法（包括規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力圖形法）所得配筋結(jié)果，較規(guī)范規(guī)定最小配筋率計(jì)算的結(jié)果差別較大，對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)存在如何選配筋的難題。因此，在滿足結(jié)構(gòu)功能需求的前提下，建議盡可能減小牛腿結(jié)構(gòu)尺寸，另外在設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)盡可能避免該類型大體積懸挑結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。

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