某水庫鋼排架靜力學(xué)分析

牛 聞

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

1 概述

某水庫啟閉機(jī)閘房總高35 m，由啟閉機(jī)層以下高20 m鋼排架和高15 m上部閘房組成，平面外形尺寸為15 m(水流方向)×11 m(壩長方向)，見圖1。下部鋼排架是一個(gè)空間框架結(jié)構(gòu)，在各荷載效應(yīng)組合工況下各構(gòu)件間相互聯(lián)系協(xié)調(diào)變形，應(yīng)采用整體空間結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及非線性等進(jìn)行全面校核，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足工程要求。限于篇幅，本文僅對(duì)鋼排架進(jìn)行三維有限元靜力學(xué)分析(包括強(qiáng)度、剛度)，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的優(yōu)化。

(a)整體閘房模型

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼排架主要由柱、柱間連系梁和啟閉機(jī)層平臺(tái)等組成，而啟閉機(jī)層平臺(tái)主要由主梁、次梁、圈梁、挑臺(tái)以及鋪板等組成，各構(gòu)件之間現(xiàn)場焊接，鋼排架模型見圖1，坐標(biāo)系：X軸沿壩長方向(垂直水流方向)，Y軸沿排架高度方向，Z軸沿水流反方向。

2.1 結(jié)構(gòu)主要尺寸

柱沿水流方向設(shè)3排、中心間距均為7 m，柱垂直水流方向設(shè)2排、中心間距為9.8 m，柱間連系梁為2層、每層高6 m，啟閉機(jī)層四周挑臺(tái)外伸長1.5 m，除筋板厚為δ=12 mm外，其余主結(jié)構(gòu)鋼板厚位于20 mm≤δ<40 mm之間。

2.2 材料及物理參數(shù)

鋼板材質(zhì)為Q355C，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，質(zhì)量密度ρ=7850 kg/m3。

2.3 主要荷載

鋼排架荷載主要有永久荷載、可變荷載以及偶然荷載[1]。

2.3.1 永久荷載

包括鋼排架、上部閘房、啟閉機(jī)、啟閉機(jī)層鋪裝、挑臺(tái)欄桿等結(jié)構(gòu)自重。

2.3.2 可變荷載

包括啟閉機(jī)層活荷載、屋面活荷載、雪荷載、啟閉機(jī)吊重、風(fēng)荷載等，其中屋面活荷載和雪荷載不疊加，應(yīng)取兩者較大值?？勺兒奢d一般根據(jù)建筑用途、場地氣象資料，并結(jié)合荷載規(guī)范取值。

啟閉機(jī)層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5.0 kN/m2。

屋面活荷載按不上人屋面其標(biāo)準(zhǔn)值為0.5 kN/m2。

雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

Sk=μrs0

式中：Sk為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數(shù)，μr=1；s0為基本雪壓，s0=0.25 kN/m2。

經(jīng)計(jì)算，Sk=0.25 kN/m2。

啟閉機(jī)吊重為5500 kN，其吊重向上游傾斜，與豎直方向存在為7°夾角，根據(jù)啟閉機(jī)布置，吊重作用上平臺(tái)荷載值為：下游左側(cè)Q1=1190 kN(豎直向下方向)、下游右側(cè)Q2=1260 kN(豎直向下方向)、上游左側(cè)Q3=2500 kN(豎直向下方向)、上游右側(cè)Q4=2350 kN(豎直向下方向)、上游左側(cè)V3=404 kN(水平向上游方向)、上游右側(cè)V4=376 kN(水平向上游方向)，下游左右側(cè)V1=V2=0(水平方向)。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

wk=βzμsμzw0=0.945 kN/m2

(1)

式中：wk為風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，βz=1；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，μs=1.2；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，屬于山區(qū)建筑物，排架頂離壩后河谷最低處約150 m時(shí)，βz=2.25；w0為基本風(fēng)壓，w0=0.35 kN/m2。

經(jīng)計(jì)算，wk=0.945 kN/m2。

2.3.3 偶然荷載

包括啟閉機(jī)試驗(yàn)荷載[2]、暴風(fēng)荷載、地震荷載[3]等，盡管偶然荷載很少發(fā)生，但同樣具有破壞性，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)予以考慮。

啟閉機(jī)試驗(yàn)是啟閉機(jī)投入使用前應(yīng)進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)，其試驗(yàn)荷載直接作用在鋼排架上，試驗(yàn)荷載取啟閉機(jī)吊重的125%。

暴風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

wk=βzμsμzw0=1.215 kN/m2

(2)

式中：wk為暴風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；w0為暴風(fēng)荷載作用下基本風(fēng)壓，w0=0.45 kN/m2。

地震荷載按作用在結(jié)構(gòu)上的慣性力處理，水平地震最大加速度按下式計(jì)算：

αmaxx=βαmaxxg=3311 mm/s2

(3)

式中：αmaxx為水平地震最大加速度，mm/s2；β為動(dòng)力放大系數(shù)，β=2.25；αmaxx為水平地震影響系數(shù)的最大值，場地位于抗震設(shè)防烈度為7度、設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g、設(shè)計(jì)地震分組為第二組地區(qū)時(shí)，αmaxx=0.15；g為重力加速度，g=9810 mm/s2。

豎向地震最大加速度按下式計(jì)算：

αmaxv=βαmaxvg=2152 mm/s2

(4)

式中：αmaxv為豎向地震最大加速度，mm/s2；αmaxv為豎向地震影響系數(shù)的最大值，一般取水平地震影響系數(shù)最大值的65%，即αmaxv=0.65αmaxx。

2.4 荷載效應(yīng)組合

驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力時(shí)，可按表1選擇可能出現(xiàn)的荷載組合情況及相應(yīng)的荷載分項(xiàng)系數(shù)分別進(jìn)行內(nèi)力設(shè)計(jì)值的組合，并取各構(gòu)件的最不利組合進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

表1 荷載效應(yīng)組合

驗(yàn)算結(jié)構(gòu)側(cè)移時(shí)應(yīng)單獨(dú)計(jì)算風(fēng)或地震作用，風(fēng)荷載和地震作用均取標(biāo)準(zhǔn)值，不再乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)。

3 有限元建模

當(dāng)前ANSYS、MIDAS、PKPM、ABAQUS等有限元分析軟件技術(shù)已相當(dāng)成熟，均可對(duì)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，采用ANSYS Workbench軟件其交互式建模界面[4]，建模時(shí)鋼排架全部采用板單元，使模型更加貼近真實(shí)框架，模擬結(jié)果會(huì)更加精確。

整個(gè)閘房大且復(fù)雜，在不影響受力的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)主要作以下的簡化：啟閉機(jī)層以上部分，對(duì)分析對(duì)象下部鋼排架起到傳遞重力荷載(自重、雪載、屋面活荷載等重力荷載效應(yīng))和風(fēng)荷載等，按照實(shí)際外形尺寸和自重相當(dāng)建模，基本不會(huì)影響傳力；啟閉機(jī)、啟閉機(jī)層鋪裝層、挑臺(tái)欄桿等結(jié)構(gòu)未建具體模型，而按照質(zhì)量點(diǎn)或面等外部荷載形式傳遞自重荷載；考慮柱底為剛接，建模時(shí)忽略柱插入閘墩部分。

鋼排架為板板組成的實(shí)腹式空間結(jié)構(gòu)，所有板均采用shell 63殼單元模擬，根據(jù)質(zhì)量、剛度變化將結(jié)構(gòu)離散為241164個(gè)單元，閘房整體及鋼排架模型見圖1，建模計(jì)算過程中統(tǒng)一采用以下單位：長度(mm)、質(zhì)量(kg)、力(N)、應(yīng)力(MPa)。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)鋼板失效形式采用第四強(qiáng)度理論驗(yàn)算強(qiáng)度[5]，故在結(jié)構(gòu)后處理中提取Von Mises應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力，應(yīng)力值應(yīng)不大于規(guī)范[3、6]規(guī)定值。鋼排架變形主要通過驗(yàn)算結(jié)構(gòu)各層間側(cè)移，側(cè)移值應(yīng)不大于規(guī)范規(guī)定值。鋼排架在表1各工況荷載效應(yīng)組合下最大應(yīng)力和變形見表2。

表2 荷載效應(yīng)組合下鋼排架計(jì)算結(jié)果表

4.1 承載力結(jié)果分析

由表2荷載效應(yīng)組合下鋼排架計(jì)算最大應(yīng)力值可以看出：①基本荷載組合最大應(yīng)力值出現(xiàn)在工況4風(fēng)上，啟閉機(jī)上游左側(cè)大梁上最大等效應(yīng)力值為180.23 MPa，應(yīng)力云圖見圖2；②特殊荷載組合最大應(yīng)力值出現(xiàn)在工況8風(fēng)上，啟閉機(jī)上游左側(cè)大梁上最大等效應(yīng)力值為222.99 MPa，應(yīng)力云圖見圖3；③鋼排架應(yīng)力主要受重力、啟閉機(jī)吊重和地震影響較大，風(fēng)載對(duì)應(yīng)力增加幅度為1‰影響較小；④風(fēng)和地震水平兩個(gè)方向?qū)︿撆偶苡绊懟鞠嗤?/p>

圖2 基本荷載組合最大應(yīng)力云圖

圖3 特殊荷載組合最大應(yīng)力云圖

荷載效應(yīng)組合下鋼排架應(yīng)力均在規(guī)范允許值內(nèi)，見表3。

表3 鋼排架最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

4.2 變形結(jié)果分析

由表2荷載效應(yīng)組合下鋼排架計(jì)算變形和側(cè)移值可以看出：①基本荷載組合最大變形出現(xiàn)在工況4風(fēng)上，啟閉機(jī)上游左側(cè)大梁上最大變形值為20.73 mm，同時(shí)鋼排架豎向壓縮變形最大值為12.09 mm、水平面Z向2層相對(duì)于1層最大層間側(cè)移值為6.79 mm，變形云圖見圖4。②特殊荷載組合時(shí)，最大變形出現(xiàn)在工況6風(fēng)上+地震上，啟閉機(jī)層中柱連接梁上最大變形值為33.29 mm；豎向壓縮變形出現(xiàn)在工況8風(fēng)上，最大值為12.86 mm；水平面最大層間側(cè)移出現(xiàn)在工況5地震上，Z向2層相對(duì)于1層最大層間側(cè)移值為11.66 mm，變形云圖見圖5。③整體變形主要受重力、啟閉機(jī)吊重和地震影響較大，風(fēng)載對(duì)變形相對(duì)較小，增加幅度也已到達(dá)11.5%。④豎向變形主要受重力影響，其他荷載幾乎無影響，有時(shí)反而降低最大豎向變形；⑤層間側(cè)移主要受啟閉機(jī)吊重、風(fēng)載和地震影響較大影響，重力荷載幾乎無影響。

(a)最大變形云圖

(a)最大變形云圖

荷載效應(yīng)組合下鋼排架層間均在規(guī)范允許值內(nèi)，見表4。

表4 鋼排架最大層間側(cè)移計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)語

本文通過采用ANSYS Workbench軟件對(duì)鋼排架有限元靜力學(xué)數(shù)值分析，有以下幾點(diǎn)心得體會(huì)，希望能給相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)提供參考借鑒，不當(dāng)之處歡迎批評(píng)指正。

1)建模時(shí)應(yīng)考慮主要連接和荷載集中處筋板，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可增加筋板厚度和數(shù)量，從構(gòu)造措施上避免局部計(jì)算應(yīng)力過大，與實(shí)際使用情況更為相符。

2)鋼排架強(qiáng)度與剛度計(jì)算結(jié)果滿足要求，還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行非線性分析以確定其穩(wěn)定性是否滿足要求和地震作用下響應(yīng)譜分析以確定其動(dòng)力效應(yīng)，限于篇幅，可見筆者的相關(guān)論文。