張一鳴， 解偉， 蔣逵超， 孫海權(quán)

(1.北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,北京 100024； 2.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

沂蒙抽水蓄能電站豎井式進(jìn)/出水口蓋板有限元分析及配筋計(jì)算

張一鳴1， 解偉2， 蔣逵超1， 孫海權(quán)1

(1.北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,北京 100024； 2.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

豎井式進(jìn)/出水口施工方便，節(jié)約布局，能很好地滿足抽水蓄能電站的進(jìn)/出水要求，是一種值得提倡的進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)形式。本文依托沂蒙抽水蓄能電站項(xiàng)目的進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)項(xiàng)目，利用ANSYS有限元分析軟件建立了三維進(jìn)/出水口蓋板模型，計(jì)算進(jìn)/出水口蓋板的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T 5057-2009)》繪制EXCEL表格進(jìn)行配筋和裂縫驗(yàn)算。驗(yàn)證結(jié)果表明，所得計(jì)算結(jié)果合理可靠。

豎井式進(jìn)/出水口；有限元；配筋；裂縫

1 工程概況

沂蒙抽水蓄能電站初選裝機(jī)容量1 200 MW，為一等大(Ⅰ)型工程。電站的下水庫(kù)位于石嵐水庫(kù)右側(cè)支溝魯峪溝溝口處，壩址以上流域集水面積2.67 km2。上水庫(kù)位于劉家寨溝內(nèi)，壩址集水面積為0.33 km2。樞紐建筑物由上水庫(kù)、水道系統(tǒng)、下水庫(kù)、地下廠房系統(tǒng)及地面出線場(chǎng)和開(kāi)關(guān)站等部分組成。上水庫(kù)采用瀝青混凝土面板堆石壩，全庫(kù)防滲；下水庫(kù)采用混凝土面板堆石壩，局部防滲；廠房位置采用首部布置方式；輸水系統(tǒng)和地下廠房布置在劉家寨溝與魯峪溝之間的山體內(nèi)。沂蒙抽水蓄能電站水道系統(tǒng)的主要建筑物包括上水庫(kù)進(jìn)/出水口、引水隧洞、引水事故閘門(mén)井、壓力管道、高壓鋼岔管、尾水事故閘門(mén)室、尾水岔管、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞和下水庫(kù)進(jìn)/出水口等。該工程于2015年6月正式開(kāi)工，電站建成后的輸電系統(tǒng)接入山東電網(wǎng)，在電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用任務(wù)。

沂蒙抽水蓄能電站上水庫(kù)靠近南岸的庫(kù)形狹窄，沒(méi)有足夠位置布置岸邊側(cè)式進(jìn)/出水口，對(duì)于上水庫(kù)進(jìn)/出水口后接的引水隧洞段，需要穿過(guò)上水庫(kù)大壩的右壩肩，由于側(cè)式進(jìn)/出水口有防渦梁段、漸變段、閘后方形段，施工較困難，不如井式進(jìn)/出水口施工安全，且井式進(jìn)/出水口能更好地滿足此段隧洞圍巖覆蓋厚度的要求。因此，該電站上水庫(kù)進(jìn)/出水口采用井式進(jìn)/出水口，該口由進(jìn)/出口攔污柵段、垂直喇叭口擴(kuò)散段、垂直整流段、彎管段和洞身段及閘門(mén)井段組成。

上水庫(kù)2個(gè)進(jìn)/出水口分開(kāi)平行布置，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；中心線間距50.0 m；進(jìn)水口底部平臺(tái)尺寸32 m×82 m，高程560.3 m；進(jìn)水口孔口(攔污柵孔口)高3.9 m，寬7.497～8.673 m，底板高程561.6 m。按戈登公式計(jì)算出的攔污柵孔口以上最小淹沒(méi)深度為2.0 m，考慮到一定的安全裕度，進(jìn)/出水口底板高程取為560.3 m，蓋板頂高程567.0 m，低于死水位4.0 m。

文中采用有限元方法對(duì)沂蒙進(jìn)/出水口蓋板進(jìn)行配筋計(jì)算，通過(guò)ANSYS大型通用軟件建立空間進(jìn)/出水口蓋板模型，施加荷載和邊界條件，計(jì)算得出其應(yīng)力圖形，根據(jù)應(yīng)力圖形計(jì)算受拉、受壓截面內(nèi)力，進(jìn)而計(jì)算鋼筋截面面積，然后選配鋼筋；并通過(guò)裂縫計(jì)算得到調(diào)整鋼筋的選配結(jié)果，該結(jié)果為沂蒙抽水蓄能電站的技術(shù)施工提供參考。

2 進(jìn)/出水口蓋板模型

蓋板厚1.0 m，半徑約14.4 m，支撐在10個(gè)分流墩上。采用SOLID 65單元建立模型并劃分網(wǎng)格[1-2]，節(jié)點(diǎn)69 867個(gè)，單元60 200個(gè)，井式進(jìn)/出水口頂部蓋板和分流墩的三維有限元模型如圖1所示。分流墩底部采用固定邊界、全約束，其余面均為自由面。蓋板受力包括自重、水壓力、施工荷載和雪荷載，見(jiàn)表1。

圖1 進(jìn)/出水口蓋板的三維有限元模型

荷載自重水壓力施工荷載雪荷載值/(kN/m3)259．81100．4方向豎直向下豎直向上豎直向下豎直向下

計(jì)算分兩種工況：工況一，施工工況，主要考慮自重、施工荷載、雪荷載；工況二，運(yùn)行工況，主要考慮自重和水壓力。兩種工況下自重是恒力，方向豎直向下，恒力是此結(jié)構(gòu)的主要荷載。施工工況時(shí)的施工荷載和雪荷載的方向也是豎直向下，運(yùn)行工況時(shí)的水壓力是豎直向上的。即運(yùn)行工況比施工工況荷載簡(jiǎn)單，所以按施工工況計(jì)算蓋板的應(yīng)力分布情況，依據(jù)該應(yīng)力結(jié)果得到的配筋分布即可以滿足規(guī)范要求。

對(duì)進(jìn)/出水口蓋板模型的表面施加向下的均布荷載，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5057—2009)，取其結(jié)構(gòu)系數(shù)為1.2。對(duì)于荷載作用分項(xiàng)系數(shù)：自重的結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.05， 施工荷載和雪

荷載的結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.2[3-4]。荷載施加情況如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)荷載和標(biāo)準(zhǔn)荷載分布(單位：mm)

3 有限元分析

由于一般配筋計(jì)算都在二維空間進(jìn)行，所以在三維模型中尋找一個(gè)豎向剖面，根據(jù)非線性有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果，求得該剖面的最大、最小應(yīng)力，結(jié)果如圖3所示，截取應(yīng)力最大值所在截面的應(yīng)力結(jié)果和配筋選取截面，如圖4所示。

圖3 S1應(yīng)力結(jié)果(單位：MPa)

圖4 配筋選取截面

將應(yīng)力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算，其方法如下：根據(jù)X向應(yīng)力圖， 在最大、最小應(yīng)力對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處，找到頂板頂、底面對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，將應(yīng)力線性化，當(dāng)應(yīng)力圖形接近直線時(shí)，可以簡(jiǎn)化為直線，求出內(nèi)力，根據(jù)內(nèi)力情況計(jì)算配筋數(shù)。根據(jù)應(yīng)力圖形求內(nèi)力公式為：

Rmax=N/A+M/W，

(1)

Rmin=N/A-M/W。

(2)

式中：Rmax、Rmin分別為截面最大和最小應(yīng)力，可以從應(yīng)力圖上查到；N為截面軸力；M為截面彎矩；W為截面抗彎模量。

由圖3可以看出，進(jìn)出水口蓋板整體應(yīng)力水平不高，大部分區(qū)域應(yīng)力小于1.0 MPa，局部地區(qū)第1主應(yīng)力較大，最大第1主應(yīng)力為2.2 MPa，最小第1主應(yīng)力為-1.15 MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在板的近似跨中，為受拉單元。由于中間板厚有所增加，最大應(yīng)力分布在板厚相對(duì)比較薄的A—A截面(圖5)和C—C截面(圖6)處。由于支座影響，蓋板在B—B截面(圖5)處產(chǎn)生負(fù)彎矩，此處第1主應(yīng)力值較大，且此處板底出現(xiàn)最小應(yīng)力，為受壓?jiǎn)卧?，此?guī)律完全符合材料力學(xué)中平面情況的板的受力特點(diǎn)[5]，取此截面進(jìn)行配筋分析。為了計(jì)算配筋，取A—A和C—C截面計(jì)算板底配筋，取B—B截面計(jì)算板的上層配筋。

圖5 A—A、B—B截面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖6 C—C截面應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖7 A—A截面應(yīng)力線性化圖

圖8 B—B截面應(yīng)力線性化圖

圖9 C—C截面應(yīng)力線性化圖

各截面內(nèi)力按照式(1)和(2)進(jìn)行應(yīng)力線性化，轉(zhuǎn)化為彎矩軸力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 截面應(yīng)力轉(zhuǎn)化為彎矩軸力結(jié)果

4 配筋計(jì)算

根據(jù)內(nèi)力結(jié)果計(jì)算受拉和受壓鋼筋面積，然后選配鋼筋；根據(jù)選配鋼筋結(jié)果，如果該配筋率小于最小配筋率，則根據(jù)最小配筋率選配鋼筋。配筋計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3—5。表中γd為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ0N為拉力設(shè)計(jì)值，d1為受拉區(qū)鋼筋直徑，d2為受壓區(qū)鋼筋直徑，h1為按受拉區(qū)鋼筋算的截面有效高度，e為按受拉區(qū)鋼筋算的偏心距，e′為按受壓區(qū)鋼筋算的偏心距，ρmin為最小配筋率，b為截面寬度，a0為保護(hù)層厚度，fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，a為受拉區(qū)鋼筋合力點(diǎn)至受拉區(qū)邊緣的距離，a′為受壓區(qū)鋼筋合力點(diǎn)至受壓區(qū)邊緣的距離，h2為按受壓區(qū)鋼筋算的截面有效高度，As為受拉區(qū)鋼筋計(jì)算面積，A′s為受壓區(qū)鋼筋計(jì)算面積，Amin為最小配筋面積。

表3 A—A截面配筋結(jié)果

表4 B—B截面配筋結(jié)果

表5 C—C截面配筋結(jié)果

此時(shí)，頂板上層可配5根直徑28 mm筋，下層5根直徑28 mm的鋼筋。A—A、C—C截面控制板的下層配筋，B—B截面控制板的上層配筋均為1 m長(zhǎng)內(nèi)配筋，鋼筋間距200 mm，據(jù)此結(jié)果進(jìn)行限裂驗(yàn)算。按標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長(zhǎng)期作用影響的裂縫開(kāi)展寬度wmax按下式進(jìn)行驗(yàn)算[6]，

(3)

(4)

(5)

由于鋼筋和混凝土的材料現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)選好，ftk、es為常數(shù)，As、c、b、ν、σ0為定值。從式(3)—(5)可以看出，配筋直徑和截面寬度內(nèi)配的鋼筋個(gè)數(shù)為裂縫寬度的控制因素，按200 mm配筋間距和減小裂縫開(kāi)展寬度的原則只能通過(guò)增加鋼筋直徑來(lái)控制裂紋開(kāi)展寬度。

荷載按標(biāo)準(zhǔn)值輸入計(jì)算裂縫開(kāi)展情況，取承載能力極限狀態(tài)下選取的截面A—A、B—B、C—C進(jìn)行計(jì)算，線性化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6—9。

表6 A—A截面裂縫驗(yàn)算結(jié)果

表7 A—A截面增大配筋直徑后的裂縫驗(yàn)算結(jié)果

表8 B—B截面裂縫驗(yàn)算結(jié)果

由表6知，A—A截面的wmax>0.25 mm，需加大配筋面積，下層選用5根直徑32 mm的鋼筋驗(yàn)算。由表7知，當(dāng)A—A截面加大配筋直徑后wmax<0.25 mm,裂縫滿足要求。由表8知，B—B截面的wmax<0.25 mm,裂縫滿足規(guī)范要求[3]。

表9 C—C截面裂縫驗(yàn)算結(jié)果

由表9知，C—C截面的wmax<0.25 mm,裂紋滿足規(guī)范要求。因此，頂板上層選用5根直徑28 mm的鋼筋，下層選用5根直徑32 mm的鋼筋，裂縫寬度滿足規(guī)范要求[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以沂蒙抽水蓄能電站豎井式進(jìn)/出水口蓋板配筋為例，應(yīng)用ANSYS軟件建立模型，并計(jì)算變形和應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果正確反應(yīng)進(jìn)/出水口的應(yīng)力狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。編制的配筋EXCEL表格，有效提高了工作效率，簡(jiǎn)化了計(jì)算，配筋結(jié)果與其他類似項(xiàng)目的實(shí)際結(jié)果相吻合，符合一般工程經(jīng)驗(yàn)。文中的計(jì)算方法為類似工程的配筋計(jì)算提供參考。

[1]楊金源.基于三維有限元分析的廠房結(jié)構(gòu)配筋和裂縫寬度設(shè)計(jì)[J].人民珠江，2011(5):12-15.

[2]任祎，傅志浩，陳俊濤.基于ANSYS的地下廠房機(jī)墩組合結(jié)構(gòu)分析及配筋程序[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006(7)；69-71.

[3]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S].南京：江蘇人民出版社，2012.

[4]電力工業(yè)部中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范：DL/T 5077—1997[S].北京：中國(guó)電力出版社，1997.

[5]孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來(lái)泰.材料力學(xué)(Ⅰ)[M].4版.北京：高等教育出版社,2002.

[6]長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：DL/T 5057—2009 [S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

(責(zé)任編輯：杜明俠)

Finite Element Analysis and Reinforcement Calculation on Shaft Type Inlet/Outlet Cover of Yimeng Pumped-storage Power Station

ZHANG Yiming1, XIE Wei2, JIANG Kuichao1, SUN Haiquan1

(1.Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China; (2.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The shaft type inlet/outlet deserves recommendation with convenient construction, economical layout and meeting the requirement of inlet/outlet of the pumped-storage power station. This paper established the model of shaft inlet/outlet cover using the finite element analysis software ANSYS based on the design of inlet/outlet of Yimeng pumped-storage power station, and calculated the stress state of the cover, then calculated the reinforcement and checked cracks by drawing EXCEL tables according toHydraulicConcreteStructureDesignCriterion(DL/T 5057—2009). The results have been approved to be reasonable and reliable.

shaft type inlet/outlet; finite element analysis; reinforcement calculation; crack checking

2016-09-30

張一鳴(1983—)，女，河南開(kāi)封人，工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:187334466@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.015

TV743;TV13

A

1002-5634(2016)06-0083-06