齊立偉，呂宏飛，鄭玉玲，尹一光（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

軟件在豐滿導(dǎo)流洞啟閉機(jī)室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

齊立偉，呂宏飛，鄭玉玲，尹一光
（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

結(jié)合豐滿水電站泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)水口啟閉機(jī)室設(shè)計(jì)實(shí)例，應(yīng)用PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中的三維有限元計(jì)算方法，分析研究了結(jié)構(gòu)在荷載作用下各部位應(yīng)力應(yīng)變狀況，通過對計(jì)算結(jié)果的分析，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的調(diào)整，同時驗(yàn)證了PKPM軟件在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對結(jié)構(gòu)布置、配筋、變形等均有相當(dāng)重要的輔助作用。

有限元；豐滿水電站；應(yīng)力應(yīng)變；啟閉機(jī)室

1 工程概況

豐滿水電站全面治理（重建）工程位于吉林省境內(nèi)松花江干流上的豐滿峽谷口，上游建有白山、紅石等梯級水電站，下游建有永慶反調(diào)節(jié)水庫。壩址距上游白山水電站210 km，距吉林市市區(qū)16 km。

泄洪兼導(dǎo)流洞布置在左岸山體內(nèi)，為有壓洞，全長846.02 m（進(jìn)洞點(diǎn)至出洞點(diǎn)），由進(jìn)口明渠段、井前壓力段、進(jìn)口閘門井、有壓洞身段、出口閘室段及消能防沖段等部分組成。進(jìn)口閘室設(shè)一道檢修平板閘門和一道事故平板閘門，出口閘室設(shè)一道工作弧門。

2 計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)口啟閉機(jī)室為雙層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，第一層檢修層高程278.25～296.50 m，層高18.25 m，上、下游墻體厚度1.0 m，左右側(cè)墻厚0.5～1.0 m，上下游方向凈跨14.60 m，左右方向凈跨18.20 m，中間為1.0 m×9.70 m×15.20 m（寬×高×凈跨）深梁；第二層啟閉機(jī)層高程296.50～

306.10 m，層高9.60 m，啟閉機(jī)層墻體厚度均為0.5 m。

因事故閘門側(cè)與檢修閘門側(cè)次梁布置與基礎(chǔ)作用位置基本對稱，而事故閘門基礎(chǔ)荷載較檢修閘門基礎(chǔ)荷載大，故運(yùn)行工況計(jì)算時僅按啟閉事故閘門考慮，地震工況計(jì)算時不與運(yùn)行工況荷載相疊加。

根據(jù)建筑造型結(jié)構(gòu)，在整個啟閉機(jī)室高度（27.85 m）范圍內(nèi)，窗口均為1.2 m寬細(xì)長形狀，將正面及背面墻體分割為多個混凝土獨(dú)立結(jié)構(gòu)，而啟閉機(jī)室四角仍保持完整，按照此特點(diǎn)，將啟閉機(jī)室整體按照框架－剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。因啟閉機(jī)室結(jié)構(gòu)高聳，墻體被窗口分割不能形成完整的框架結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)計(jì)算方法無法精確計(jì)算，而用PKPM軟件中的三維計(jì)算模塊可以很好的解決這一問題。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同PKPM軟件由多個模塊組成，這次計(jì)算分析僅使用其中的三維建模（PMCAD）、三維有限元計(jì)算（STAWE）及施工圖鋼筋配置（墻梁柱施工圖）三個模塊。

3 計(jì)算參數(shù)選取

1）根據(jù)地質(zhì)報告，本區(qū)域?qū)儆?級地震烈度區(qū)域，本地區(qū)地震動峰值加速度為0.131 g，用PKPM軟件進(jìn)行計(jì)算時按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，設(shè)防烈度采用7度，地震動峰值加速度采用0.15 g。

2）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.1.2規(guī)定，當(dāng)設(shè)防烈度采用7度、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)高度小于60 m時，其中框架結(jié)構(gòu)抗震等級為三級，剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級為二級。

3）根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》，本地區(qū)基本風(fēng)壓為0.45，對于特別重要和有特殊使用要求的結(jié)構(gòu)，乘以1.2的系數(shù)，則基本風(fēng)壓ω0＝0.45× 1.2＝0.54，地面粗糙類別取為B類。

4）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0＝1.1，剪力墻及框架柱混凝土保護(hù)層厚度為5 cm，主筋類型為HRB400，箍筋類型為HPB300。

其中啟閉事故閘門時卷揚(yáng)機(jī)基礎(chǔ)荷載為：

檢修門卷揚(yáng)機(jī)基礎(chǔ)自重荷載：

4 計(jì)算內(nèi)容

4.1 建立實(shí)體模型

PKPM軟件中的PMCAD模塊可逐層地布置各層平面和各層樓面，具有較強(qiáng)的荷載統(tǒng)計(jì)和傳導(dǎo)計(jì)算功能，除計(jì)算結(jié)構(gòu)自重外，還自動完成從樓板到次梁，從次梁到主梁，從主梁到承重的柱墻，再從上部結(jié)構(gòu)傳到基礎(chǔ)的全部計(jì)算。PMCAD模塊除可建立整棟建筑的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還為PKPM系列其他功能模塊提供數(shù)據(jù)接口。

按圖形比例生成進(jìn)口啟閉機(jī)室的計(jì)算模型，根據(jù)進(jìn)口啟閉機(jī)室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將整個啟閉機(jī)室劃分為三個標(biāo)準(zhǔn)層，第一標(biāo)準(zhǔn)層高度為9.75 m，至288.0 m高程圈梁頂部，第二層標(biāo)準(zhǔn)層高度8.50 m，至296.50 m高程板梁層，第三標(biāo)準(zhǔn)層高度9.60 m，至啟閉機(jī)室屋頂板梁層。

第一層實(shí)體結(jié)構(gòu)主要為正面及背面立柱、四角及兩個側(cè)面剪力墻、288.0 m高程圈梁，正面居中有4.5 m×7.0 m（寬×高）門洞，兩側(cè)面各有一條1.2 m寬窗洞，正面及背面墻體厚度1.0 m，側(cè)面墻體上游側(cè)厚度1.0 m，下游側(cè)厚度0.5 m。第二層實(shí)體結(jié)構(gòu)主要為正面及背面立柱、四角及兩個側(cè)面剪力墻、296.50 m高程板梁，296.50 m高程正面及背面梁高3.2 m，墻體厚度均為1.0 m。第三層實(shí)體結(jié)構(gòu)主要為正面及背面立柱、四角及兩個側(cè)面剪力墻、306.10 m高程板梁，306.10 m高程屋中央梁梁高2.0 m，墻體厚度均為0.5 m。

三個標(biāo)準(zhǔn)層建立完成之后進(jìn)行樓層組裝，將之合并為啟閉機(jī)室整體受力結(jié)構(gòu)。

4.2 三維計(jì)算

PKPM軟件中的SATWE模塊是專門為高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，使多、高層結(jié)構(gòu)的簡化分析模型盡可能地合理，更好地反映出結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)。

SATWE采用空間桿單元模擬梁、柱及支撐等桿件，用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。通過讀取計(jì)算模型參數(shù)，SATWE軟件可完成建筑結(jié)構(gòu)在恒、活、風(fēng)、地震力作用下的內(nèi)力分析及荷載效應(yīng)組合計(jì)算，進(jìn)行活荷不利布置計(jì)算，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可完成截面配筋計(jì)算。

將風(fēng)荷、地震作用、設(shè)計(jì)和配筋信息等參數(shù)輸入后，程序自動進(jìn)行有限元分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果可在程序中以圖形及文本兩種形式顯示，其中包括混凝土構(gòu)件配筋簡圖，梁彈性撓度、柱軸壓比、長細(xì)比，各荷載工況下構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力簡圖、結(jié)構(gòu)空間變形簡圖等。

4.3 各構(gòu)件施工圖鋼筋配置

PKPM軟件中的“墻梁柱施工圖”模塊可直接根據(jù)SATWE模塊計(jì)算結(jié)果，考慮規(guī)范中抗震、構(gòu)造等要求，歸并相近的鋼筋，選擇合理的鋼筋直徑、數(shù)量，最終給出各構(gòu)件的配筋形式?，F(xiàn)選取地震和運(yùn)行工況中配筋最大的工況，并結(jié)合工程實(shí)際、考慮施工便利等原則，進(jìn)行施工圖階段鋼筋配置。

為方便比較，配筋表中各箍筋配置面積最終均轉(zhuǎn)化為間距100 mm進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，墻水平及垂直鋼筋面積均轉(zhuǎn)化為間距200 mm進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

1）PKPM軟件經(jīng)過多年的發(fā)展完善，對于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)整體三維計(jì)算已經(jīng)相當(dāng)成熟，將其作為進(jìn)口啟閉機(jī)室的設(shè)計(jì)依據(jù)，同時結(jié)合本行業(yè)相關(guān)規(guī)范和要求，所得出的計(jì)算結(jié)果可以更真實(shí)準(zhǔn)確的反映本結(jié)構(gòu)的受力狀況。

2）這次計(jì)算僅對豐滿進(jìn)水口啟閉機(jī)室296.50～306.10 m之間的墻體進(jìn)行了配筋計(jì)算，296.50 m和306.10 m高程板梁配筋未計(jì)算在內(nèi)，整個墻體作為框架－剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程中將其細(xì)分為轉(zhuǎn)角剪力墻、邊側(cè)剪力墻、柱、梁各個構(gòu)件，每種構(gòu)件的配筋型式各有不同。

3）啟閉機(jī)室總高度27.85 m，屬于高層建筑，而為滿足建筑造型要求，門窗孔洞開孔緊湊且細(xì)長，對整體框架的形成造成一定的影響，尤其在地震工況狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)下層將承擔(dān)較大的剪應(yīng)力，因此，在鋼筋配置過程中，除嚴(yán)格按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行之外，還對啟閉機(jī)室四個邊角轉(zhuǎn)角墻進(jìn)行了加強(qiáng)。

4）最終實(shí)際配筋與程序計(jì)算所給出的鋼筋有一定的出入，均有所增加，是考慮到三維軟件計(jì)算有一定的局限性，是較理想的狀態(tài)下的結(jié)果，實(shí)際施工過程中的一些不利因素?zé)o法控制，并且，為現(xiàn)場施工便利，有局部鋼筋采用一致性原則取大值配置。

以PKPM軟件為依據(jù)計(jì)算所得結(jié)果已應(yīng)用于豐滿泄洪兼導(dǎo)流洞啟閉機(jī)室的設(shè)計(jì)施工中，工程建筑物已投入使用，至今運(yùn)行狀態(tài)良好。

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2016-11-10