1、东江扩机水电站上水库进（出）水口门槽结构有限元计算湖南水利水电)2oo9 年第 5 期水库进(出) 水口限元计算昌彩霞谭永华(湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007)【摘要】门槽结构是进(出)水口应力状况较为复杂的关键受力部位,文章对上水库进(出 )水口结构分别采用平面有限元和三维有限元方法进行了计算分析,比较详细地介绍了上水库进(出 )水口门槽结构的两种方法的计算结果,并对两种算法进行了比较分析.结合结构体型和所承担荷载的特点提出了门槽配筋,并对此次计算作了总结.【关键词】门槽平面有限元三维有限元配筋1 工程简介东江扩机水电站在湖南省资兴市境内,坝址位于湘江支流耒水干流方石处,距
2、离资兴市东江区 l1km.扩机电站建筑物主要有输水系统和地下厂房,其中输水系统由上水库进(出)水口,引水隧洞 ,尾水隧洞,下水库出(进)水口等部分组成 .扩机工程装机 2 台,单机容量 250MW,总容量 500MW.本电站采用“一洞两机“形式供水 .上水库进(出)水口按运行需要引进所需流量或中断水流,是输水系统的重要建筑物.通过对各不同型式的进(出)水口的比较研究,最终确定上水库进(出)水口型式为塔式.上水库进(出)水口位于左岸距拱坝上游约300m 处的停车坪.塔顶平台高程 299.000m,底板高程为 245.000m.进水口建筑物的组成主要包括拦污栅立柱,厢涵渐变段,进水塔等.进水 I=
3、1 结构图如图 1,图 2 所示.2 本文目的从图 1,图 2 可以看出,当隧洞检修,闸门处于挡水状态时.塔体下部孔口范围的门槽承担由闸门上传来的水压力.由图 1 上库进(出) 水口纵剖面图于闸门尺寸较大,在较高的水头作用下(44.0m)闸门上承受的水压力是很大的,而这些水压力最终由门槽来承担,门槽的配筋形式和配筋量关系到门槽的安全与否,直接影响到机组的安全.因此,有必要对门槽结构进行应力分析,弄清楚门槽的实际应力状态,以便采取合理可靠的工程措施.门槽处孔口结构体型复杂,大小孑 L 口在此处交汇 ,有流道l昌彩霞谭永华,东江扩机水电站上水库进(出)水口门槽结构有限元计算图 2 上库进(出) 水
4、口横剖面图孑 L 口,闸门孔口,通气孔,还有二期混凝土的预留槽等 ,结构是不规则的大体积实体混凝土,不是规则的杆件体系.门槽处孔口的受力也较复杂.在不同的工况下,门槽处孔口所受的荷载组合是有很大差异的,可能会受到自重,水压力,地震等荷载的作用,尤其是在高水位检修工况下,门槽除受到自重荷载外.主要承受水平荷载,荷载由闸门门板传到滑块上形成集中荷载.再经主轨,二期混凝土传到一期混凝土上.这就使得孑 L口应力分布较复杂,处于多向应力状态.在多向应力状态下,如果工程措施不得当,很容易留下安全隐患.东江水电站一期工程的一级放空洞就曾发生过因门槽失事而导致整条隧洞废弃的重大事故.因此,在体型复杂,受力也复
5、杂的情况下,用常规结构力学和材料力学知识难以有效地分析该部位的实际应力状态.为准确反映门槽处孔口的应力分布状态,本文采用有限元法对孔口结构进行受力分析计算.3 平面有限元计算本次平面有限元计算是采用中南勘测设计研究院原水工处计算站开发的平面八结点等参有限元程序及前后处理程序进行计算的.(1)工况选择分析.在分析施工,运行,检修工况下门槽的受力情况后,将在设计洪水位(P=0.1%)289.000m 下的检修工况作为对门槽进行受力分析的控制工况.(2)计算简图.为计算的便捷和具有代表性,取底板高程(245.000m)处1.0m 高度范围内塔体作为计算模型.由于塔体关于中心线对称.取一半进行计算.计
6、算简图如图 3 所示.水流方向2图 3 平面有限元计算简图(3)荷载计算与传递.闸门孔口净宽 11.0m,两侧二期混凝土宽度各 0.8m.故闸门计算宽度为 12.6m.在 1.0111 高度内闸门承受 44.0m 的水头压力.考虑门叶轨道形式,闸门上荷载大小为 5438.664kN.假定此荷载通过二期混凝土均匀地传递到一期混凝土上.则单位高度内每侧一期混凝土承受的荷载大小为 3399.165kN.(4)计算结果.将数据输入后经程序计算,各关键部位应力分布规律相同,其中部位拉应力(即 y 向拉应力)最大,最具代表性.图 4 为门槽向应力分布.从第一主应力 1 等值线图(图 5),第二主应力 0-
7、2 等值线图( 图 6)可以看出 ,在门槽荷载作用下,门槽角上应力集中现象明显,但是收敛很快,应力集中只局限在很小的范围内,符合大体积混凝土的受力规律.在角部可考虑除配置常规的 X 向和 Y 向钢筋外,还可采用角筋加强,以改善此部位的受力性能,增强其抗裂性.0.250.250-250.250_250.250.250.25O.2图 4 门槽部位(向应力分布简图A=.1o3E 霈“241E 需加 79E 需幅 EH+:07516EE+邮图 5 第一主应力等值线图:_41 舌枷_56335:8117E+77E 搿E+ 凹图 6 第二主应力等值线图4 三维有限元计算本次三维有限元计算使用了 ANSYS
8、 软件.计算按照建筑物的实际尺寸采用了三维实体进行建模.(1)坐标选择.计算中以顺水流方向为 X 轴正向,以铅直向上为 Y 轴正昌彩霞谭永华,东出)水口门槽结构有限元计算向,以垂直水流指向右岸为 Z 轴正向.(2)工况选择分析.对进水口门槽受力而言,最不利的工况是在较高水位293.400m 时下闸检修.(3)荷载计算与传递.门槽处的荷载处理方法和在平面有限元计算中的处理方法一样,不同的是门槽荷载图形是一梯形,不再当作一矩形处理.处理后门槽受力如图 7 所示.2889.290kN/3789.082kN/m图 7 门槽受力简图其余部位的荷载可根据塔体的实际受力情况直接将荷载加在模型上.不需要另行处
9、理.(4)计算结果.划分网格加载后计算,从图 8 应力等值线图可以看出,在X,Z 平面上应力分布与平面有限元计算出的应力分布具有相同的规律,只是数值大小上有差别.图 8 门槽应力分布等值线图140DALS 删肼 IONsETlSUB=ITIMEISX(vG)RSYS0PowerGraphic0EJCE11v 职 S8tD.OO2185S 蛐一 3.676S 娥 1.992I一 3.676IB 一 3.047lC=-一 2.417一 D.一 1.787El.157lFo.528一 1o2一 H.732一 I=1.362一 l_9925 两种算法的应力成果比较此两种算法的控制工况有所差别,约束相同
10、.都将与岩面接触部位视为固端.计算后同取高程 245.000m 处断面应力分布图进行比较,发现两者的应力分布规律相同.但按平面有限元法计算的应力值明显大于按三维有限元法计算的应力值,按平面有限元法计算出的最大应力值为 5-3MPa,按三维有限元法计算出的最大应力值为 1.992MPa.造成这种现象的原因在于平面有限元的计算模型比较简化,未考虑底板对门槽的约束作用.在三维计算成果的应力云图中可以发现,在孔口高度大约 2/3 处断面上 X,Z 向的门槽应力是最大的 ,且分布规律与平面有限元的规律一致.两种算法的水平向荷载取值有所差别,平面有限元是在设计洪水位下的作用水头计算荷载的.而三维有限元则是
11、在校核洪水位下的作用水头计算荷载的.从三维应力云图上显示的数值来看,尽管三维有限元计算时取用的荷载值大于平面有限元计算时取用的荷载值.但应力值却小于平面应力计算值,这表明底板对门槽的约束和塔体自重对门槽应力的分布有着重要的影响.不可忽视.6 配筋分析通过以上两种方法显示的计算成果,可以看出两种方法均得出了相同的应力分布规律.只是在数值上有所区别.配筋是按照水工混凝土结构设计规范附录 H“非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则“和相关的构造要求进行的.如果按照平面有限元计算成果配筋,单位高度内最大配筋量为 4093mm2 的级钢筋;如果按照三维有限元计算成果配筋,只需按构造配筋,单位高度内配筋量
12、为 3210mlTl2 的级钢筋实际配筋是在这两种算法的基础上,主要根据平面有限元计算成果,参照其它已建工程经验进行的.在 X,Y,Z3 个方向上均选用 2 排直径为 28mm 的级钢筋,间距 2O0mm,配筋量为 6158mmz 的级钢筋,并在角上用角筋加强 .实际配筋量比按有限元计算结果配筋用量要大.原因在于门槽处受力复杂.计算时假定的荷载通过二期混凝土均匀传递到一期混凝土上不一定就是实际受力情形:另外 ,从门槽受力安全角度出发,在门槽范围内适当增大钢筋用量所增加的工程量是很有限的.因此实际采用的配筋量要大于按计算成果进行的配筋量7 结论通过对比分析可知,三维有限元计算成果比平面有限元计算
13、成果更接近实际应力状态.平面有限元通常在主荷载作用平面内可以较准确地反映建筑物的受力状态.但当结构的体型和受力比较复杂时,用平面有限元分析计算就会产生较大的偏差,而三维有限元则正好可以弥补这些缺陷.本次计算的一个不足之处在于计算时只考虑混凝土的受力,没有考虑钢筋与混凝土联合起来共同受力,因而得出的结果必与实际受力有差异.在考虑钢筋的锚固长度时.应将钢筋穿过受拉区,再在受压区按规范规定预留足够的锚固长度.在实际使用中钢筋是和混凝土是联合受力的,受拉区范围会大大小于纯混凝土受力时的受拉区范围.因而本文采用这一简化处理方法来计算配筋,其结果是偏于安全的.综上所述,在今后的工程实践中,尤其是在结构设计中考虑混凝土与钢筋联合受力,采用先进的三维有限元程序进行分析计算,辅以工程设计经验,这样,不仅保证结构的安全性,又能使得结构设计经济合理.工程设计人员应逐步掌握这一基本技能.(收稿日期:20090825)3
