基于ANSYS有限元的導(dǎo)流洞消力池結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

羅昌輝

(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

水工設(shè)計(jì)中，泄洪消能是非常重要的研究課題。它不僅影響整個(gè)水工樞紐的布置，還影響工程量與投資[1]。而導(dǎo)流洞作為水電站建設(shè)中的重要建筑物，通常具有單寬流量大、佛氏數(shù)低的特點(diǎn)，有些導(dǎo)流洞后期還要改為泄洪洞，因此對(duì)于導(dǎo)流洞出口處消力池的結(jié)構(gòu)布置提出了嚴(yán)格的要求[2]。國(guó)內(nèi)外消力池的研究多從滲流或者水力學(xué)角度，特別是從脈動(dòng)壓力的作用機(jī)理及其分布的角度來(lái)分析消力池失穩(wěn)破壞機(jī)理[3-4]。然而，當(dāng)消力池建筑在基巖物理力學(xué)性質(zhì)差且?guī)r性變化顯著的不均勻地基上，基礎(chǔ)對(duì)消力池結(jié)構(gòu)的影響就變得十分突出，尤其對(duì)于消力池高度大、邊墻厚度相對(duì)較薄的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析變得更為重要。

本文借助有限元理論，結(jié)合試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┑拿}動(dòng)壓力，建立有限元模型。通過(guò)邊墻和消力梁的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移作為判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)消力池結(jié)構(gòu)動(dòng)力進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以期為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 有限元模型建立

新疆某水利樞紐工程1#深孔消力池由底板、兩邊的邊墻、柵條、拉桿組成，兩邊墻的距離為18 m，邊墻高22.963 m，底板厚2 m，柵條兩端連接兩邊的邊墻距離底板9.6 m，拉桿連接兩邊的邊墻布置在邊墻的頂部。由于消力池段每隔10 m設(shè)有結(jié)構(gòu)縫，因此取相鄰結(jié)構(gòu)縫之間的結(jié)構(gòu)為一個(gè)整體系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)圖見圖1，有限元模型見圖2。

圖1 消力池邊墻結(jié)構(gòu)圖

圖2 消力池有限元模型

有限元模型采用SOLID185單元，邊墻與底板的材料屬性取為一致，密度為2.4 t/m3，彈性模量28 GPa，泊桑比0.167，底板的地面采用全約束。

采用附加質(zhì)量法模擬水體和消力池邊墻的流固耦聯(lián)作用，附加質(zhì)量用MASS21單元模擬，分別計(jì)算在工況1和工況2下的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移。

為了計(jì)算消力池的動(dòng)力響應(yīng)，首先通過(guò)模型試驗(yàn)測(cè)得作用在消力池邊墻上的脈動(dòng)荷載(點(diǎn)荷載)，然后將實(shí)測(cè)脈動(dòng)荷載(通過(guò)點(diǎn)面轉(zhuǎn)換換算成作用在邊墻上的面荷載)的時(shí)間過(guò)程均勻加在邊墻結(jié)構(gòu)上，計(jì)算出消力池邊墻各部位的動(dòng)力響應(yīng)。模型試驗(yàn)分別對(duì)工況1和工況2進(jìn)行了脈動(dòng)荷載測(cè)試，其測(cè)點(diǎn)布置圖見圖3，計(jì)算工況見表1。

圖3 脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 計(jì)算工況

3 消力池動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.1 邊墻動(dòng)應(yīng)力

各工況下，消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4～圖5。

圖4 工況1計(jì)算結(jié)果

圖5 工況2計(jì)算結(jié)果

分析邊墻動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力整體趨勢(shì)隨著高程的增加不斷變小。底部的動(dòng)應(yīng)力達(dá)到最大值，最大值為291.626 kPa，均方差為44.4 kPa。

3.2 消力梁動(dòng)應(yīng)力

將試驗(yàn)實(shí)測(cè)脈動(dòng)荷載的時(shí)間過(guò)程均勻加在柵條結(jié)構(gòu)上，即可計(jì)算出柵條各個(gè)部位的動(dòng)應(yīng)力。消力梁動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖6～圖7。

圖6 工況1消力梁動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖7 工況2消力梁動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，消力梁的動(dòng)應(yīng)力沿著柵條方向呈先減小后增大再減小再增大的趨勢(shì)，在柵條和邊墻的連接處出現(xiàn)動(dòng)應(yīng)力最大值。動(dòng)應(yīng)力的最大值為56.79 kPa，均方差為9.3 kPa。

混凝土在泄洪振動(dòng)作用下的疲勞破壞問題，至今還沒有成熟的理論，混凝土的疲勞破壞強(qiáng)度大致可以取0.5倍混凝土靜力極限強(qiáng)度?？紤]到水工混凝土工作條件的復(fù)雜性以及徐變等因素的影響，可以取泄洪振動(dòng)的“允許動(dòng)應(yīng)力” 為0.45倍的靜力允許應(yīng)力值[5]。若靜力條件下允許拉應(yīng)力[σ]取1.2 MPa(C25混凝土)，則泄洪振動(dòng)的允許拉應(yīng)力可取0.567 MPa。

消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力最大值為291.626 kPa，均方差為44.4 kPa，其在動(dòng)水荷載作用下的最大應(yīng)力按3倍均方差計(jì)算，為0.133 MPa，小于允許動(dòng)應(yīng)力0.567 MPa。消力梁的最大值發(fā)生在邊墻和柵條的連接部位，動(dòng)應(yīng)力的最大值為56.79 kPa，均方差為9.3 kPa，按3倍振幅計(jì)算，最大動(dòng)應(yīng)力為0.028 MPa，小于允許動(dòng)應(yīng)力0.567 MPa。

4 消力池動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果

4.1 邊墻動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果

消力池動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果見圖8～圖9。

圖8 工況1動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果

圖9 工況2動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果

由工況1和工況2計(jì)算結(jié)果可以看出，消力池邊墻的動(dòng)位移沿著高程方向呈逐漸增大的趨勢(shì)，在高程1 659.517 m處出現(xiàn)動(dòng)位移最大值。計(jì)算結(jié)果可以看出，在工況1時(shí)有最大動(dòng)位移，在高程1 659.517 m處，動(dòng)位移最大值為64.9 μm，均方差為17.405 μm。

4.2 消力梁動(dòng)位移

消力池動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果見圖10～圖11。

圖10 工況1消力梁動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果

圖11 工況2消力梁動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，消力梁的動(dòng)位移沿著柵條方向中間位移最大，依次向兩端遞減，在柵條中部處出現(xiàn)動(dòng)位移最大值。計(jì)算結(jié)果可以看出，在柵條中部出現(xiàn)最大動(dòng)位移，最大值為229.8 μm，均方差為31.7 μm。

消力池邊墻動(dòng)位移最大值為59.1 μm，均方差為17.405 μm，按其3倍計(jì)算振幅，則最大動(dòng)位移為52.215 μm。消力梁位移最大值為229.8 μm，均方差為31.7 μm，按其3倍計(jì)算振幅，則最大動(dòng)位移為95.1 μm。

至于水工建筑物的允許振幅至今沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，蘇聯(lián)學(xué)者曾提出結(jié)構(gòu)高度的十萬(wàn)分之一作為其允許振幅[5]。若按照此位移標(biāo)準(zhǔn)，允許位移為230 μm，大于消力池邊墻和消力量位移的最大值，動(dòng)位移滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

通過(guò)應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)導(dǎo)流洞出口消力池的結(jié)構(gòu)動(dòng)力進(jìn)行穩(wěn)定性分析。通過(guò)邊墻和消力梁的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移的計(jì)算，結(jié)果均小于允許動(dòng)應(yīng)力和允許動(dòng)位移，說(shuō)明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，