泵站流道導(dǎo)流隔水墻對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響分析

邱 輝， 侯繼平

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

大治河排澇泵站工程位于杭州市蕭山區(qū)大治河和錢塘江交匯口處，泵站設(shè)計(jì)排澇流量100.0 m3/s，采用5臺(tái)立式軸流泵[1]。主泵房順?biāo)飨蜷L(zhǎng)35.00 m，分為2臺(tái)泵一跨和3臺(tái)泵一跨，共2個(gè)結(jié)構(gòu)段。每臺(tái)泵設(shè)獨(dú)立流道，每孔凈寬7.50 m，中墩厚1.80 m，左側(cè)邊墩厚1.50 m（靠水閘），右側(cè)邊墩厚2.00 m。進(jìn)水流道底板頂面高程-3.10 m，底板厚1.50 m；進(jìn)水流道頂板底高程-0.40 ～ 0.30 m，厚度1.42 ～ 1.79 m。工程平面布置見圖1。

圖 1 工程平面布置圖

為改善進(jìn)水流道內(nèi)水流的流態(tài)和進(jìn)水流道頂板與底板的受力狀態(tài)，在進(jìn)水流道內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流隔水墻。本文以3臺(tái)泵一跨的結(jié)構(gòu)段為例，采用ANSYS平面有限元方法分析導(dǎo)流隔水墻在不同厚度d的情況下，進(jìn)水流道底板、頂部、閘墩和導(dǎo)流隔水墻受力情況的變化規(guī)律，從而結(jié)合水流要求最終確定合適的導(dǎo)流隔水墻尺寸。

2 計(jì)算假定和荷載

2.1 計(jì)算假定和荷載

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范:進(jìn)水流道由導(dǎo)流隔水墻分成雙孔矩形斷面時(shí)，可按對(duì)稱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[2]。本工程閘墩、底板和頂板厚度較大，在計(jì)算中考慮其厚度的影響，即考慮剪切變形及節(jié)點(diǎn)剛性的影響。選取距上游7.00 m的橫斷面為研究對(duì)象，荷載有自重、外水壓力、內(nèi)水壓力、土壓力、設(shè)備重、揚(yáng)壓力和樁基反力。土壓力按靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算，取靜止土壓力系數(shù)K0= 0.4；樁基反力根據(jù)整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果和樁基計(jì)算結(jié)果，按承臺(tái)擴(kuò)散為均布荷載進(jìn)行計(jì)算；滲透壓力按阻力系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中遵循以下假定:①選取單寬平面框架計(jì)算，考慮相鄰框架之間的不平衡剪力[3]；②按倒置框架結(jié)構(gòu)計(jì)算流道內(nèi)力[4]。

2.2 計(jì)算斷面的選擇

從控制結(jié)構(gòu)尺寸和配筋角度考慮，選取檢修門槽后、技術(shù)供水泵房的A - A剖面為計(jì)算截面。泵站流道縱剖面見圖2，進(jìn)水流道橫剖面見圖3。

圖 2 泵站流道縱剖面圖

圖 3 泵站進(jìn)水流道橫剖面圖

2.3 計(jì)算工況的選擇

為充分分析進(jìn)水流道的內(nèi)力情況，選擇以下5種工況進(jìn)行分析:

（1）正常運(yùn)行工程（3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行）:內(nèi)河為常運(yùn)行水位4.20 m，外江為最高運(yùn)行水位7.90 m；

（2）完建工況:內(nèi)河和外江均為無(wú)水；

（3）檢修工況（3臺(tái)泵同時(shí)檢修）:內(nèi)河為常水位4.20 m，外江為平均潮位3.80 m；

（4）檢修工況（旁邊2臺(tái)泵同時(shí)檢修）:內(nèi)河為常水位4.20 m，外江為平均潮位3.80 m；

（5）最大揚(yáng)程排澇工況（3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行）:內(nèi)河為最低運(yùn)行水位2.50 m，外江為100 a一遇高潮位8.70 m。

3 計(jì)算模型

ANSYS分析軟件已廣泛應(yīng)用于土木工程、水利工程等領(lǐng)域。本文將流道頂板、底板和墩墻按BEAM4模擬，剛性節(jié)點(diǎn)處彈性模量為C35混凝土彈性模量的5倍，取單寬框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。模型對(duì)BEAM4單元采用lesize = 0.3均勻劃分，共劃分單元數(shù)472個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)937個(gè)。模型頂部2個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B采用鉸支約束。有限元模型見圖4。

圖 4 有限元模型圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

以完建工程為例，有無(wú)導(dǎo)流隔水墻流道彎矩分布見圖5 ～ 6。

圖 5 無(wú)導(dǎo)流隔水墻彎矩分布圖 單位:kN · m

圖 6 有導(dǎo)流隔水墻彎矩分布圖 單位:kN · m

4.1 對(duì)頂板、底板和閘墩的影響

由圖5、圖6彎矩圖形狀和數(shù)值結(jié)果可知:

（1）導(dǎo)流隔水墻的設(shè)置改變了框架的受力特點(diǎn)，無(wú)導(dǎo)流隔水墻框架底板最大正彎矩發(fā)生在約跨中位置，設(shè)置導(dǎo)流隔水墻后，最大正彎矩向新框架跨中移動(dòng)；

（2）未設(shè)置導(dǎo)流隔水墻時(shí)，底板最大負(fù)彎矩和最大正彎矩均發(fā)生在最大揚(yáng)程排澇工況（3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行），分別為-1 996.91，1 393.98 kN · m；設(shè)置導(dǎo)流隔水墻后，底板最大負(fù)彎矩和最大正彎矩均發(fā)生在最大揚(yáng)程排澇工況（3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行），底板最大負(fù)彎矩和最大正彎矩減小30.00% ～ 40.00%、頂板最大正彎矩減小25.00%，隨著導(dǎo)流隔水墻厚度增加，彎矩繼續(xù)減小，但底板最大負(fù)彎矩和最大正彎矩減小幅度7.30% ～ 2.46%、頂板最大正彎矩減小幅度7.00% ～ 2.00%，在導(dǎo)流隔水墻厚度為0.60 m以上時(shí)，各彎矩值減小幅度均在3.00%以內(nèi)；

（3）未設(shè)置導(dǎo)流隔水墻時(shí)，頂板最大負(fù)彎矩發(fā)生在最大揚(yáng)程排澇工況（3臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行），為-2 572.72 kN · m，頂板最大負(fù)彎矩在設(shè)置導(dǎo)流隔水墻后減小，在導(dǎo)流隔水墻厚度0.60 m時(shí)，頂板最大負(fù)彎矩為-2 175.89 kN · m，減小約15.00%；在導(dǎo)流隔水墻厚度0.80 m時(shí)，頂板最大負(fù)彎矩為-2 052.17 kN · m，減小約20.00%；隨著導(dǎo)流隔水墻厚度增加，彎矩值減小幅度均在3.00%以內(nèi)，增幅不明顯；

（4）設(shè)置導(dǎo)流隔水墻后，閘墩最大負(fù)彎矩彎矩減小23.00% ～ 29.00%，隨著導(dǎo)流隔水墻厚度增加，彎矩繼續(xù)減小幅度不大，均在1.50%以內(nèi)。

流道底板最大負(fù)彎矩結(jié)果見圖7，最大正彎矩結(jié)果見圖8；流道頂板最大負(fù)彎矩結(jié)果見圖9，最大正彎矩結(jié)果見圖10；閘墩最大彎矩結(jié)果見圖11。

圖 7 流道底板最大負(fù)彎矩結(jié)果圖

圖 8 流道底板最大正彎矩結(jié)果圖

圖 9 流道頂板最大負(fù)彎矩結(jié)果圖

圖 10 流道頂板最大正彎矩結(jié)果圖

圖 11 閘墩最大彎矩結(jié)果圖

4.2 對(duì)導(dǎo)流隔水墩自身的影響

導(dǎo)流隔水墻自身彎矩隨厚度增加而增加，依次增長(zhǎng)幅度為33.00% ～ 5.00%。導(dǎo)流隔水墻最大彎矩結(jié)果見圖12。

圖 12 導(dǎo)流隔水墻最大彎矩結(jié)果圖

4.3 導(dǎo)流隔水墻厚度的選定

根據(jù)各工況分析計(jì)算結(jié)果:在導(dǎo)流隔水墻厚度在0.60 m以上時(shí)，對(duì)底板、頂板彎矩減小有限，影響值趨于不明顯。此時(shí)，導(dǎo)流隔水墻自身彎矩最大值1 093.43 kN · m，相應(yīng)軸力為882.695 kN，按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行配筋。

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)流道跨度較大，為改善進(jìn)水流道內(nèi)水流的流態(tài)設(shè)置導(dǎo)流隔水墻后，減小彎矩計(jì)算跨度，流道頂板和底板的彎矩影響明顯，但在導(dǎo)流隔水墩厚度在0.60 m以上時(shí)，彎矩影響較??；閘墩彎矩變化對(duì)導(dǎo)流隔水墻厚度不敏感，主要是受外荷載影響；導(dǎo)流隔水墻自身彎矩隨厚度直線性增加，由于其為壓彎構(gòu)件，彎矩和軸力的增加對(duì)自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利。選擇導(dǎo)流隔水墻厚度，在滿足進(jìn)水流道流態(tài)良好的前提下，應(yīng)首先考慮滿足導(dǎo)流隔水墻自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，可選擇底板和頂板彎矩隨厚度增加而減小不明顯的值作為最終導(dǎo)流隔水墻的厚度。