抽水蓄能電站進(jìn)水塔混凝土排架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

李元浪

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000)

1 工程背景

某水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水塔位于水庫大壩上游靠近右岸的部位，設(shè)計(jì)為岸塔式結(jié)構(gòu)，其基建面高程為685 m，塔頂高程為740.5 m，排架頂高程為764.3 m，總塔高為79.3 m。進(jìn)水塔由底部的塔體和上部排架兩大部分構(gòu)成，上部排架高度為24.3 m，其排架柱截面為1.2 m×1.2 m，橫梁尺寸為1.5 m×1.2 m；排架的頂層厚度為0.2 m。按照原施工設(shè)計(jì)，進(jìn)水塔的塔體和排架均采用C30混凝土。相對于下部結(jié)構(gòu)，進(jìn)水塔的上部排架無論是結(jié)構(gòu)質(zhì)量還是結(jié)構(gòu)剛度均較小，是地震應(yīng)力作用下最容易遭受破壞的部分[4]。顯然，在排架結(jié)構(gòu)遭受破壞的背景下，進(jìn)水塔的正常運(yùn)行乃至電站的整體安全都將受到嚴(yán)重威脅，因此其抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要[5]?；诖?，本次研究試圖通過數(shù)值模擬的方式，對地震作用下的混凝土排架H型截面型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選研究，以期為工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。

2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 模型的構(gòu)建

ANSYS有限元軟件是美國ANSYS公司推出的一款大型商用工程仿真設(shè)計(jì)軟件，具有多種分析功能，其在巖土力學(xué)以及結(jié)構(gòu)分析等方面獲得廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也取得了良好的模擬研究效果。因此，本文利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建[6]。

結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實(shí)際，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的整體模型范圍為基礎(chǔ)的上下游、左右岸以及深度各取1倍塔高。模型的計(jì)算邊界條件為：進(jìn)水塔的上下游和左右側(cè)面按照施加豎向位移條件，模型的底部按照固定邊界條件處理，施加全位移約束，模型的上部為自由邊界條件。為了利于模型的構(gòu)建，以進(jìn)水塔的前期設(shè)計(jì)資料為依據(jù)，首先利用CAD軟件建立進(jìn)水塔的整體幾何模型，然后在導(dǎo)入ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建[7]。幾何模型以垂直于右岸指向左側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向，以垂直于X軸指向上游的方向?yàn)閅軸的正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向。

進(jìn)水塔的塔體采用六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格模型的劃分，上部的排架結(jié)構(gòu)則采用梁單元進(jìn)行模擬，啟閉機(jī)層以及排架的頂層利用殼單元進(jìn)行模擬，研究中假定進(jìn)水塔混凝土結(jié)構(gòu)為在各向同性的均質(zhì)彈性連續(xù)體[8]。整個(gè)模型共劃分為162 555個(gè)網(wǎng)格單元、150 010個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，模型的示意圖見圖1。

2.2 荷載的施加

在進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中，計(jì)算荷載主要包括自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、風(fēng)壓力以及地震作用[9]。其中，模型的地基視為無質(zhì)量單元，混凝土結(jié)構(gòu)的自重按照25.0 kN/m3的重度進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)進(jìn)水塔的運(yùn)行工況，在所有與水接觸的面上全部施加靜水壓力，水的重度取9.8 kN/m3；計(jì)算過程中對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)底面按照庫水位施加揚(yáng)壓力；將浪壓力與進(jìn)水塔的上游面靜水壓力疊加，施加到上游面；按照《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 744-2016)計(jì)算風(fēng)壓力，并施加到進(jìn)水塔水面以上的表面。

地震荷載包括地震慣性力和地震動(dòng)水壓力。根據(jù)壩址區(qū)的地震資料，地震烈度為7度，主要水工建筑設(shè)計(jì)地震參數(shù)水平加速度為113.7 gal，超越概率為10%，特征周期為0.55 s。在施加過程中，需要同時(shí)計(jì)入水平和豎向地震作用。根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35047-2015)的規(guī)定，應(yīng)該分別采用擬靜力法和振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用，并施加于計(jì)算模型。在進(jìn)水塔的動(dòng)水壓力分析中，僅考慮其慣性作用，而不考慮水體可壓縮性的影響。鑒于動(dòng)水壓力與水深存在顯著關(guān)聯(lián)，因此需要結(jié)合水深數(shù)據(jù)編寫不同高程的動(dòng)水壓力函數(shù)，并通過等效面力的方式施加于塔體表面。

2.3 計(jì)算方案

根據(jù)《型鋼混凝土組合的設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T 138-2001)，其含鋼率一般在4%～10%范圍內(nèi)。本次研究在模型排架柱中插入H型鋼的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)5%、7%和9%共3種不同截面面積的H型鋼，其規(guī)格設(shè)計(jì)分別為HW498×432×45×70、HW800×816×42×42和HW800×800×48×64。對3種不同計(jì)算方案進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建，并利用數(shù)值模擬計(jì)算的方式，進(jìn)行正常蓄水位遭遇地震條件下的動(dòng)力計(jì)算分析，以獲取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案[10]。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移計(jì)算結(jié)果與分析

在地震作用下，只有進(jìn)水塔的整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生較大的位移變形，才能保證其穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于進(jìn)水塔上部排架的高度較大，不同高程的位移特征可能有所不同，因此研究中選擇排架圈梁的第四層，也就是進(jìn)水塔頂層；圈梁的第三層，也就是啟閉機(jī)層以及塔體頂面和排架底面的相交處，也就是圈梁的第一層混凝土柱關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移最大值，對不同混凝土柱排架型鋼截面形式下的位移特征進(jìn)行對比分析，且分析僅針對混凝土單元進(jìn)行，不包括型鋼的應(yīng)力。利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對不同方案下的型鋼混凝土排架結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行計(jì)算，并提取出各向位移的最大值，結(jié)果見表1和圖2。

表1 排架關(guān)鍵部位位移計(jì)算結(jié)果

由表1中的結(jié)果可知，在3種不同的計(jì)算方案下，進(jìn)水塔的變形主要表現(xiàn)為剪切變形，從而使進(jìn)水塔上部的排架結(jié)構(gòu)以剛體平動(dòng)為主，并具有比較顯著的鞭梢效應(yīng)。隨著進(jìn)水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈現(xiàn)出增大的趨勢。主要原因是上部排架結(jié)構(gòu)會(huì)受到自重作用的顯著影響。另一方面，由于進(jìn)水塔上部的排架結(jié)構(gòu)在地震應(yīng)力作用下會(huì)受到較大的水平荷載影響，因此X向位移和Y向位移明顯大于Z向位移。因此，需要利用內(nèi)部型鋼的剛度對排架水平強(qiáng)度需求進(jìn)行彌補(bǔ)。從不同含鋼量方案的計(jì)算結(jié)果來看，排架關(guān)鍵部位的位移量會(huì)隨著含鋼量的增加而減小，也就是含鋼量5%結(jié)構(gòu)的位移量最大，含鋼量7%方案次之，含鋼量9%方案的位移量最小。由此可見，提高含鋼量對控制排架結(jié)構(gòu)的位移有明顯作用。

為了進(jìn)一步分析各向位移隨含鋼量的變化特征，對位移最明顯的圈梁第四層的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，獲得圖2所示的各向位移隨含鋼量的變化曲線。由圖2可知，當(dāng)含鋼量由5%增加至7%時(shí)，各向位移有明顯下降；而含鋼量由7%增加至9%時(shí)，下降幅度明顯減小。這說明在含鋼量7%的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加含鋼量，控制位移的作用極為有限，但是工程成本會(huì)顯著增加。因此，從位移控制的視角來看，含鋼量應(yīng)以7%為宜。

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

在地震作用下，排架結(jié)構(gòu)的上部容易發(fā)生破壞，在圈梁第三層和第一層往往存在較大的應(yīng)力分布。因此，研究中就選擇排架圈梁的第四層、圈梁的第三層和圈梁的第一層混凝土柱關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行X向應(yīng)力(Sx)、Y向應(yīng)力(Sy)、Z向應(yīng)力(Sz)、第一主應(yīng)力(S1)以及第三主應(yīng)力(S3)的對比分析。利用上節(jié)構(gòu)建的模型對不同方案下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2和圖3。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著排架高程的不斷增加，各應(yīng)力值呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。究其原因，主要是排架結(jié)構(gòu)可視為懸臂梁，其剪力和彎矩往往會(huì)集中于結(jié)構(gòu)的底部。同時(shí)，由于排架的混凝土柱和梁的連接部位拉應(yīng)力較大，因此在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該加強(qiáng)該部位的配筋。從不同含鋼梁方案的對比來看，各向應(yīng)力均隨著含鋼量的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的特征，也就是5%含鋼量方案的應(yīng)力水平最高，9%含鋼量方案次之，7%含鋼量方案的應(yīng)力水平最低。因此，從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來看，7%含鋼量方案為最佳方案。

表2 排架關(guān)鍵部位應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 應(yīng)力云圖

3.3 工程經(jīng)濟(jì)效益

原始工程設(shè)計(jì)中，主要側(cè)重于進(jìn)水塔上部排架的抗震性能實(shí)現(xiàn)，對混凝土柱內(nèi)部型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)偏于保守，選擇的是含鋼量9%的方案設(shè)計(jì)。按照具體的型鋼材料尺寸計(jì)算，其含鋼量略高于9%，為9.351%，此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案含鋼量為6.843%。顯然，兩種不同設(shè)計(jì)方案的工程成本主要是節(jié)省鋼材的成本。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，排架結(jié)構(gòu)共包括9個(gè)混凝土柱，其截面為1.2 m×1.2 m，高度為24.3 m。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案節(jié)省鋼材的數(shù)量為1.2×1.2×24.3×9×(9.351%-6.843%)×7.85=62.00 t。按照2020年鋼材市場Q345B的平均價(jià)格，可節(jié)省的工程成本為62.00×4 255=263 810元，具有十分顯著的工程經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

本文以某抽水蓄能電站進(jìn)水塔為例，利用數(shù)值模擬的方式對地震作用下進(jìn)水塔上部混凝土排架H型鋼設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選研究，主要結(jié)論如下：

1) 進(jìn)水塔的變形主要表現(xiàn)為剪切變形，隨著進(jìn)水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈現(xiàn)出增大的趨勢。

2) 從不同的設(shè)計(jì)方案位移對比結(jié)果來看，排架典型部位的位移量隨著含鋼量的增加而減小，但是在含鋼量7%的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加含鋼量，控制位移的作用極為有限，而工程成本會(huì)顯著增加。

3) 從不同含鋼梁方案的對比來看，各向應(yīng)力均隨著含鋼量的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的特征，也就是5%含鋼量方案的應(yīng)力水平最高，9%含鋼量方案次之，7%含鋼量方案的應(yīng)力水平最低。

4) 結(jié)合計(jì)算成果和工程成本，7%含鋼量方案為最佳方案。