任建欽，徐 巖，趙立旺，艾明明

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130061）

某水電站鋼筋混凝土岔管三維有限元結(jié)構(gòu)分析

任建欽，徐 巖，趙立旺，艾明明

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130061）

文章應(yīng)用大型通用有限元軟件 ANSYS，對(duì)某水電站鋼筋混凝土岔管在施工期、運(yùn)行期和檢修期工況下進(jìn)行了三維有限元計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，推薦岔管結(jié)構(gòu)配筋方案。

水電站；鋼筋混凝土岔管；外水壓力；內(nèi)水壓力；ANSYS

0引言

岔管是水電站輸水系統(tǒng)中的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到岔管本身及相鄰建筑物的運(yùn)行安全。岔管按材料可以分為鋼岔管和鋼筋混凝土岔管 2種。當(dāng)岔管 HD 值大時(shí)，鋼岔管需要的鋼襯一般較厚，材料耗費(fèi)量大，焊接工藝復(fù)雜，施工困難。鑒于此，除特殊地質(zhì)條件以外，盡可能采用鋼筋混凝土岔管。但鋼筋混凝土岔管的體型、荷載、邊界以及與圍巖聯(lián)合承載的機(jī)理極其復(fù)雜，一般計(jì)算方法無(wú)法準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)的變形和受力特征，因而引入有限元數(shù)值計(jì)算法。

1 有限元模型

1.1 計(jì)算模型

鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)整個(gè)計(jì)算模型的范圍沿進(jìn)水方向（X 向）取 281m，沿鉛直方向（Y 向）自山體表面向下取至支管中心線以下 200m，側(cè)向（Z向）巖體取 200m。

鋼筋混凝土岔管所選取模型模擬范圍內(nèi)的巖體均為大型塊體結(jié)構(gòu)，此計(jì)算中將其劃分為 8節(jié)點(diǎn)等參塊體單元 SOLID45。岔管可視為厚殼結(jié)構(gòu)，將其劃分為 20 節(jié)點(diǎn)等參塊體單元 SOLID65，以便更精確地模擬其力學(xué)行為，在厚度方向劃分 4層。

模型底部施加垂直方向（Y 向）約束，下游面施加水平方向（X 向）約束，上游面施加側(cè)壓力，一個(gè)側(cè)面施加水平向（Z 向）約束，另一側(cè)面施加側(cè)壓力，并考慮結(jié)構(gòu)的自重。

1.2 材料參數(shù)

材料參數(shù)見表 1。

表1 材料參數(shù)表

1.3 計(jì)算參數(shù)

最大內(nèi)水壓力水頭 150m，最大外水壓力水頭86m，鋼筋混凝土襯砌厚度 0.8m，鋼筋混凝土標(biāo)號(hào) C30，回填灌漿壓力 0.4MPa。

1.4 計(jì)算工況

根據(jù)高壓混凝土岔管的施工和運(yùn)行期可能發(fā)生的設(shè)計(jì)控制工況，此次計(jì)算采用以下工況進(jìn)行計(jì)算分析。

工況 1：開挖工況，荷載組合：初始地應(yīng)力+開挖釋放荷載。

工況 2：施工工況，荷載組合：初始地應(yīng)力+開挖釋放荷載+外水壓力+回填灌漿壓力+襯砌結(jié)構(gòu)自重。

工況 3：運(yùn)行工況，荷載組合：初始地應(yīng)力+開挖釋放荷載+外水壓力+內(nèi)水壓力+襯砌結(jié)構(gòu)自重。

工況 4：檢修工況，荷載組合：初始地應(yīng)力+開挖釋放荷載+外水壓力+襯砌結(jié)構(gòu)自重。

外水壓力按面力施加，直接作用在襯砌外表面上，內(nèi)水也按面力施加，直接作用在襯砌內(nèi)表面上。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 工況 1 計(jì)算成果分析

采用 ANSYS 軟件中的生死單元技術(shù)，模擬岔管的開挖，可以計(jì)算開挖后的二次應(yīng)力場(chǎng)，確定岔管開挖、圍巖產(chǎn)生變位、松弛后的應(yīng)力重分布。

1）圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)分布較為均勻，第一主應(yīng)力大小在-0.01～-3.18MPa 范圍內(nèi)變化，第二主應(yīng)力大小在-0.05～-3.62MPa 范圍內(nèi)變化，第三主應(yīng)力大小在-0.28～-9.13MPa 范圍內(nèi)變化，且與高程相關(guān)性較大。

2）岔管開挖后，岔管頂部和底部圍巖的位移小于 3mm，壓應(yīng)力均小于 3.5MPa，側(cè) 部位移均小于 1mm，除岔口處有較大的應(yīng)力集中外，其他部位的壓應(yīng)力均小于 8MPa，這說(shuō)明岔洞圍巖應(yīng)力總體比較小，只是在岔口區(qū)域受應(yīng)力集中影響應(yīng)力條件相對(duì)較差，可能有巖塊發(fā)生崩落，開挖時(shí)應(yīng)該對(duì)岔口區(qū)域進(jìn)行修圓整平并加強(qiáng)支護(hù)，以保證施工期的圍巖安全穩(wěn)定。

2.2 工況 2 計(jì)算成果分析

岔管最大壓應(yīng)力值為 24.67MPa，發(fā)生在岔口右側(cè)與岔?yè)跸嘟犹?，最大拉?yīng)力為 1.5MPa，發(fā)生在岔管底部岔口附近，其它區(qū)域應(yīng)力均比較小。裂縫只發(fā)生在岔口區(qū)域，主岔管底部裂縫貫通，頂部裂縫只局限于內(nèi)層，岔襠底部裂縫幾乎全部貫通，頂部裂縫只發(fā)生在內(nèi)層。

2.3 工況 3 計(jì)算成果分析

岔管最大壓應(yīng)力值為 24.08MPa，發(fā)生在岔口右側(cè)與岔?yè)跸嘟犹?，最大拉?yīng)力為 0.28MPa，發(fā)生在岔管底部岔口附近，其它區(qū)域應(yīng)力均比較小。裂縫只發(fā)生在岔口區(qū)域，主岔管底部有很少一部分裂縫貫通，頂部未開裂，岔襠底部裂縫沒(méi)有貫通，頂部沒(méi)有裂縫。

2.4 工況 4 計(jì)算成果分析

岔管最大壓應(yīng)力值為 23.40MPa，發(fā)生在岔口右側(cè)與岔?yè)跸嘟犹?，最大拉?yīng)力為 0.94MPa，發(fā)生在岔管底部岔口附近，其它區(qū)域應(yīng)力均比較小。裂縫只發(fā)生在岔口區(qū)域，主岔管底部有相當(dāng)一部分裂縫貫通，頂部裂縫較少且只存在于內(nèi)層，岔襠底部裂縫有兩條貫通，其它裂縫存在于內(nèi)層四分之三厚度內(nèi)，頂部裂縫只發(fā)生在內(nèi)層。

2.5 綜合結(jié)果分析

給出施工期、運(yùn)行期、檢修期 3 種工況鋼筋混凝土岔管的應(yīng)力情況，如表 2。

表2 各工況下岔管應(yīng)力情況

從表2可以看出，每種工況岔管的頂部和底部壓應(yīng)力都不是很大，而側(cè)部壓應(yīng)力較大，在岔口區(qū)域內(nèi)層混凝土最大壓應(yīng)力超過(guò)了混凝土的抗壓強(qiáng)度，遠(yuǎn)離岔口區(qū)域只有工況2內(nèi)層混凝土超過(guò)了混凝土的抗壓強(qiáng)度；各工況之間應(yīng)力水平也存在著差異，工況 3 整體應(yīng)力水平不是很高；工況 4在岔口區(qū)域局部壓應(yīng)力較大，而其它區(qū)域應(yīng)力都沒(méi)有超過(guò)混凝土強(qiáng)度指標(biāo)；工況 2，整個(gè)岔管結(jié)構(gòu)內(nèi)層側(cè)部壓應(yīng)力有相當(dāng)一部分超過(guò)了混凝土強(qiáng)度指標(biāo)。

3 配筋計(jì)算

此次配筋計(jì)算是依據(jù)施工工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，按照 DL/T5057-1996《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和 DL/T5195-2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行配筋計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見表 3，岔管結(jié)構(gòu)配筋布置，見圖 1。

表3 岔管結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論和建議

1）岔管開挖后，圍巖總體比較穩(wěn)定，只是在岔口附近受應(yīng)力集中影響圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較差。建議在開挖施工時(shí)，對(duì)岔口和岔襠部位進(jìn)行適當(dāng)修圓處理，或者開挖時(shí)就進(jìn)行噴漿支護(hù)，以保證施工期的圍巖穩(wěn)定安全。

2）施工工況和檢修工況在受應(yīng)力集中影響的岔口和岔襠部位混凝土有壓碎和拉裂的可能，而岔管結(jié)構(gòu)其它部位是比較安全的；運(yùn)行工況岔管整個(gè)結(jié)構(gòu)都比較安全。

圖1 岔管結(jié)構(gòu)建議配筋布置示意圖

3）外水直接作用在混凝土襯砌上也會(huì)大大影響著岔管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，建議對(duì)圍巖進(jìn)行灌漿處理，至少保證在 1.5m 厚圍巖范圍內(nèi)有良好的抗?jié)B性，尤其要做好岔管底部圍巖的灌漿，保證底部圍巖灌漿深度應(yīng)該比其它部位要大一些。

4）鋼筋混凝土岔管襯砌厚度采 0.8m，鋼筋混凝土標(biāo)號(hào) C30，結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)較為合理。

［1］DL/T5057-1996，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［s］.

［2］DL/T5195-2004，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

TV73

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2013-12-11