三河口水庫門槽快捷施工云車靜力學(xué)數(shù)值分析

牛 聞，安術(shù)鑫，董旭榮

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001）

1 概述

陜西省引漢濟渭工程為Ⅰ等大（一）型工程,三河口水利樞紐為引漢濟渭工程的兩個水源工程之一,位于子午河佛坪縣大河壩鄉(xiāng),總庫容為7.1 億m3,主要由雙曲拱壩、壩身泄洪放空系統(tǒng)、引水系統(tǒng)和壩后抽水發(fā)電廠房等組成,樞紐校核水位644.70 m、設(shè)計洪水位642.95 m、正常蓄水位643.00 m、死水位558.0 m、壩頂高程646.0 m。引水系統(tǒng)放水塔位于壩體右側(cè),共1孔,底檻高程543.0 m,塔頂高程646.0 m,取水設(shè)計流量為72.71 m3/s、可逆機組抽水流量為18 m3/s。取水方式為分層取表層水,進口設(shè)上、下層隔水閘門,隔水閘門前設(shè)1扇通高攔污柵,隔水閘門后設(shè)1扇斜角84°布置的平面事故閘門,事故閘門后接洞徑4.5 m的引水洞。從節(jié)約工程建設(shè)工期和成本、減少施工人員勞動強度和安全等因素考慮,該部位4 套高門槽均采用門槽埋件快捷安裝技術(shù)施工,放水塔閘門、攔污柵及其門槽特性參數(shù)見表1。

表1 放水塔閘門、攔污柵及其門槽特性參數(shù)表

續(xù)表1

根據(jù)現(xiàn)場施工組織工序,并結(jié)合門槽快捷安裝技術(shù)特點,每孔門槽需各設(shè)1 套云車,其中攔污柵門槽和清污機導(dǎo)槽間距較小考慮其共用1 套,共需4 套,保證每層埋件可隨土建混凝土進度同時完成。云車主要由空間桁架結(jié)構(gòu)、提升裝置、連接固定件等組成,利用桁架將埋件連接成整體,依靠聯(lián)合受力體系,保證在埋件一期安裝精度,同時通過專門的提升設(shè)計,實現(xiàn)懸掛施工和自爬升,保證每層埋件隨土建混凝土進度同時完成。由于本工程各閘門埋件每節(jié)標準長度為6.5 m,而土建施工時混凝土澆筑每層標準高度為4.5 m,考慮云車與下層混凝土接觸高度為3 m,每套云車高度取9 m。限于篇幅,本文僅對下層隔水閘門門槽云車進行靜力學(xué)分析計算,其主框架模型見圖1。

圖1 云車主框架整體模型圖

2 荷載及荷載組合

2.1 主要荷載及其計算

根據(jù)云車的實際工作情況和荷載規(guī)范[1],主要由以下荷載組成：

（1）自重載荷

云車主結(jié)構(gòu)采用1∶1全尺寸建模,在計算過程中添加施加重力加速度即可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重荷載。在ANSYS Workbench中賦予門葉重力加速度載荷為9.806 m/s2,自重載荷施加見圖2。

圖2 自重載荷施加示意圖

（2）澆筑期混凝土側(cè)壓力載荷

根據(jù)云車工作狀況,混凝土壓力矢量方向由閘墩內(nèi)指向門槽內(nèi),即澆筑期混凝土側(cè)壓力作用在埋件與混凝土接觸面上,根據(jù)混凝土澆筑高度按下式計算：

式中：p為澆筑期混凝土側(cè)壓力,kN/m2；a為澆筑混凝土動力系數(shù),取1.4；ρ為澆筑期混凝土密度,取2500 kg/m3；g為重力加速度,取9.806 m/s2；h為混凝土澆筑高度,取4.5 m。

澆筑期混凝土側(cè)壓力寬度范圍為埋件與混凝土接觸面,高度范圍為澆筑層底緣到頂部4.5 m,壓力從埋件頂部的0 MPa逐漸增加到底部的0.155 MPa。澆筑期混凝土側(cè)壓力采用ANSYS中的HydrostaticPressure（靜水壓強）梯度載荷進行施加,埋件最上部壓力值為0 MPa（最小值）,下部為0.155 MPa（最大值）。澆筑期混凝土側(cè)壓力載荷施加見圖3。

圖3 澆筑期混凝土側(cè)壓力載荷施加示意圖

（3）風荷載標準值按下式計算：

式中：w為風壓設(shè)計值,kN/m2； 為組合系數(shù),取0.6；βz為高度z處的風振系數(shù),取1；s為風荷載體型系數(shù),取1.2；

z 為風壓高度變化系數(shù),屬于山區(qū)建筑物,距塔底最低處約120 m,取2.1；wo為基本風壓,0.35 kN/m2。

風荷載寬度范圍為云車孔口內(nèi)結(jié)構(gòu)表面上下游面,高度范圍為云車孔口內(nèi)整個結(jié)構(gòu)上下游面,由于放水塔下游側(cè)緊鄰大壩風荷載方向僅考慮沿水流方向。風荷載采用ANSYS中的Pressure進行施加。風載荷施加見圖4。

圖4 風壓載荷施加示意圖

2.2 荷載組合

根據(jù)云車的實際工作情況并結(jié)合實際運行情況,選取以下四種計算工況：

（1）工況一：正常工作狀態(tài)下,云車底部位于底檻上,澆筑高4.5 m的混凝土,此狀態(tài)下主要考慮作用在埋件上的澆筑期混凝土側(cè)壓力及云車自重荷載。

荷載組合：云車結(jié)構(gòu)自重+底層澆筑期混凝土側(cè)壓力。

（2）工況二：正常工作狀態(tài)下,云車底部位于底檻上,在基本風載作用下,澆筑高4.5 m的混凝土,此狀態(tài)下主要考慮作用在埋件上的澆筑期混凝土側(cè)壓力、云車自重荷載以及風荷載。

荷載組合：云車結(jié)構(gòu)自重+底層澆筑期混凝土側(cè)壓力+風載荷。

（3）工況三：正常工作狀態(tài)下,云車底部位于已澆筑凝固后混凝面下3 m,繼續(xù)向上澆筑高4.5 m的混凝土,此狀態(tài)下主要考慮作用在埋件上的澆筑期混凝土側(cè)壓力及云車自重荷載。

荷載組合：云車結(jié)構(gòu)自重+中上層澆筑期混凝土側(cè)壓力。

（4）工況四：正常工作狀態(tài)下,云車底部位于已澆筑凝固后混凝面下2 m,在基本風載作用下,繼續(xù)向上澆筑高4.5 m的混凝土,此狀態(tài)下主要考慮作用在埋件上的澆筑期混凝土側(cè)壓力、云車自重荷載以及風荷載。

荷載組合：云車結(jié)構(gòu)自重+中上層澆筑期混凝土側(cè)壓力+風載荷。

3 模型

3.1 模型及模型處理

云車和埋件采用實體建模后導(dǎo)入ANSYS Workbench,進行網(wǎng)格劃分,選取Solid185八節(jié)點六面體實體單元作為主結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的主單元。模型總體坐標系進行如下設(shè)定：坐標原點設(shè)置在云車底部對稱中點部位, X軸正向為垂直水流向, Z軸正向指向水流上游方向, Y軸正向指向重力反方向, X軸、Y軸、Z軸符合笛卡爾坐標系右手螺旋法則。建模計算過程中統(tǒng)一采用以下單位：長度（mm）、質(zhì)量（kg）、力（N）、應(yīng)力（MPa）。

為保證計算精度和計算時間,最終劃分完成的網(wǎng)格模型見圖5,其中工況一和工況二網(wǎng)格單元數(shù)量為677320、節(jié)點數(shù)量為1436439,工況三和工況四網(wǎng)格單元數(shù)量為915280、節(jié)點數(shù)量為1858458。

圖5 云車網(wǎng)格模型

3.2 約束邊界條件

云車與埋件之間實施時采用絲桿頂緊,并現(xiàn)場焊接部分連接筋,故偏安全計算云車結(jié)構(gòu),不考慮云車與埋件聯(lián)合受力。上述各種工況下的約束施加方式如下：

工況一和工況二下,云車和埋件底部固定約束（Fixed Support）；工況三和工況四下,云車底部固定約束（Fixed Support）,下部6.5 m高埋件與混凝土接觸面全部固定約束（Fixed Support）。計算模型各工況的約束邊界條件見圖6。

圖6 云車約束設(shè)置示意圖

4 計算結(jié)果與分析

根據(jù)鋼板失效形式采用第四強度理論驗算強度[2],故在結(jié)構(gòu)后處理中提取Von Mises應(yīng)力驗算埋件和云車承載力,應(yīng)力值應(yīng)不大于規(guī)范[3-5]規(guī)定值。埋件和云車變形主要通過驗算結(jié)構(gòu)位移值應(yīng)不大于規(guī)范規(guī)定值。埋件和云車各工況荷載效應(yīng)組合下的位移和應(yīng)力值見表2,埋件和云車各工況荷載效應(yīng)組合下的總位移和總VonMises應(yīng)力云圖見圖7、圖8、圖9和圖10。

圖7 埋件總位移云圖

圖8 云車總位移云圖

圖9 埋件總Von Mises應(yīng)力云圖

圖10 云車總Von Mises應(yīng)力云圖

表2 荷載組合工況下埋件和云車位移和應(yīng)力表

4.1 位移結(jié)果分析

由表2荷載組合工況下埋件和云車位移可以看出：① 在上述四種工況組合下,埋件和云車在實施中最大總位移分別為1.8475 mm和0.5902 mm,能滿足閘門埋件安裝規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求,變形云圖見圖7和圖8；② 由工況三和工況四位移值可以看出,風荷載對埋件和云車在實施中基本無影響；③ 埋件由于受澆筑期混凝土壓力影響,在側(cè)軌X垂直水流方向上出現(xiàn)主要控制的位移值,底層最大值為1.8473 mm、中上層最大值為1.4201 mm；④ 云車在各種工況下整個實施中變形基本相等,變形在三個方向也基本相等,且均不大于0.6 mm,變形較小。

4.2 應(yīng)力結(jié)果分析

由表2荷載組合工況下埋件和云車總VonMises應(yīng)力值可以看出：①在上述四種工況組合下,埋件和云車在實施中最大總VonMises應(yīng)力值分別為180.73 MPa和166.95 MPa,能滿足閘門埋件設(shè)計規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求,應(yīng)力云圖見圖9和圖10；② 由工況三和工況四總VonMises應(yīng)力值可以看出,風荷載對埋件和云車在實施中基本無影響。③ 埋件由于受澆筑期混凝土壓力影響,除側(cè)軌在最底層出現(xiàn)最大總VonMises應(yīng)力值外,中上層埋件最大應(yīng)力值均相對較小。

5 結(jié)語

基于上述對云車計算分析,為閘門埋件采用門槽快捷施工工藝實施期埋件一期埋設(shè)安裝質(zhì)量,提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。