AUTOCAD/ANSYS在盤石頭水庫泄洪洞高進水塔工程中應用*

鄭州大學環境與水利學院 趙曉西

黃河勘測規劃設計有限公司 李 英

上海應用技術學院 趙海燕

AUTOCAD/ANSYS在盤石頭水庫泄洪洞高進水塔工程中應用*

鄭州大學環境與水利學院 趙曉西

黃河勘測規劃設計有限公司 李 英

上海應用技術學院 趙海燕

為了將大型有限元通用程序ANSYS更好的適用于實際工程，實現有限元法與工程設計緊密結合，形成結構分析、校核、優化設計CAD技術一體化。本文，筆者采用專門為ANSYS的三維線彈性有限元靜動力計算結果而編制的后處理程序對河南省鶴壁市盤石頭水庫高進水塔進行內力分析，為工程設計提供了可靠的依據，解決了工程實際問題。

目前，一般的工程結構分析問題，都可以直接用通用程序求解，不必再花費精力和時間另編計算程序。由于進水塔體型復雜，結構力學方法在切取具有代表性的危險截面時，很難顧及到每個部位，有些部位取水平斷面會由于難以找到合適的支座而無法計算，只有取豎直斷面計算。根據進水塔孤立高大及塔身雙向受力的特點，早期的應力分析方法是首先假定結構與地基剛性連接，在進水塔的不同高程上截取有代表性的截面取單位高度成為平面框架，用以分析結構的水平向應力；在順水流或垂直水流方向上切取豎向剖面選單寬而成為多層平面框架，用來分析結構的鉛直向應力。把重力、土壓力和靜水壓力等簡化為均布荷載作用到各桿件上進行靜力分析；以質量乘以某慣性綜合系數作為地震慣性力，利用Westergaard近似公式計算出動水壓力作為靜荷載加到結構受力的最大方向上進行最不利組合擬靜力應力分析。這種方法就是現行的結構力學方法。

一、工程實例

盤石頭水庫是海河流域衛河支流淇河上的一座大型水庫，壩址位于河南省鶴壁市西南15km的盤石頭村附近。水庫的任務以防洪、工業及城市供水為主，兼顧農田灌溉、發電、養殖等。水庫總庫容6.08億m3，屬大（2）型水庫，主要建筑物有：大壩、泄洪洞、溢洪道、輸水洞及電站等。工程等級為二等，大壩、泄洪洞、溢洪道、輸水洞按2級建筑物設計，設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為2000年一遇，地震設防烈度7度。水庫特征指標及主要建筑物運用方式見表1。

盤石頭水庫泄洪洞分為兩條，布置在右岸雞冠山下。兩洞軸線夾角9.9866°，在進口處相距約160m，出洞后在下游尾水渠交匯。1號泄洪洞位于左側，洞身位置較高，進口洞底高程215.0m，2號泄洪洞早期為導流洞，洞身位置較低，施工后期導流洞進口封堵，改建成龍抬頭型式，進口洞底高程也是215.0m，兩洞均為無壓隧洞。1號泄洪洞與2號龍抬頭洞進口閘室布置形式及尺寸完全相同，工程布置如下：閘室前為混凝土圓弧翼墻連接段，閘室段長度30.0m，采用設壓板的有壓短管體型，設一道事故平板檢修閘門，閘門尺寸6.5m×7.8m（寬×高），用一臺4000kN固定式卷揚啟閉機啟閉。檢修門后設弧型工作鋼閘門，閘門尺寸為6.5m×6.5m（寬×高），采用單吊點搖擺式1600kN/320kN油壓啟閉機啟閉。進口段頂板采用x2/8.52-y2/3.42=1橢圓曲線，兩側墻不收縮，檢修門槽采用Ⅱ型門槽，弧形門前頂部壓板坡度為1∶4。閘室末端為6.5× 8.1m（寬×高）的矩形。閘室上部豎井采用全封閉的鋼筋混凝土框架式結構，斷面為矩形，檢修門井與工作門井之間設隔墻。檢修門井在261.0m高程設檢修平臺，工作門井在233.69m高程設工作平臺，安放油壓啟閉機及油缸。操縱室設在278.0m高程，房屋凈高為6.0m，設有交通橋連接通往大壩的交通道路。

表 1 水庫特征水位及正常運行期主要建筑物控制運用方式

盤石頭水庫泄洪洞進水塔塔頂高程▽278m，操縱室頂高程▽285.5m。塔體寬11.5m，基巖面高程▽211m，總高度67m，最大長度30m，塔體沿順水流方向對稱。塔體下游高程▽245m以下與山體間用回填混凝土和回填石渣充填。回填石渣要求分層夯實，回填料可以利用開挖出的強弱風化石渣。基巖面高程的存在增加了進水塔的穩定性，弧形工作門支鉸部位流道側墻背靠高程▽211m至▽245m，坡度1∶0.3的巖體。塔上設備的重量就整個塔體來看相對較小，但就局部而言又是較大的，這些重力通過梁板傳至塔體毋庸置疑地會在局部產生集中應力。

由于工程地位重要，自然條件復雜，泄洪建筑物體型和受力情況均較特殊。采用一般的結構力學設計方法，考慮的因素和邊界條件過分簡化擔心失真，特別是塔體的地震反應分析問題。因此，采用線彈性三維有限元法對2號泄洪洞進水塔進行了結構應力分析與論證。

二、程序介紹

MPML是專為ANSYS的三維線彈性有限元靜力計算結果的內力分析而編制的后處理程序，功能齊全且使用簡單，是在DigitalVisualFortran5.0版本上完成并運行的。它根據ANSYS三維8結點單元的應力計算結果，將指定斷面的應力轉化為內力，可以求出指定斷面指定構件的軸力N、剪力Q和彎矩M，并生成內力的描述文件（.SCR文件），通過AutoCAD可以實現內力圖的顯示與打印輸出。在用ANSYS進行有限元分析之后，會產生一系列數據文件。將分別存放著結構的單元結點坐標信息和應力計算結果的基本參數數據文件，按一定的格式輸入儲存在NODE和STR文件中。MPML將要從這兩個文件中讀取這些信息，以供內力計算之用。

三、截面內力計算基本原理

如圖1，OX為截面法線方向，且為截面的中性軸，OY為截面的切線方向，S1、S2和q1、q2為至中性軸距離為y1、y2的正應力和剪應力，截面的高度為2h。由結構力學中截面內力分量的基本概念，可以推導出截面內的軸力、剪力和彎矩的計算公式為：

四、計算結果

盤石頭水庫高進水塔塔頂高程278m，操作室頂高程285.5m，塔體寬11.5m，基巖面高程211m，總高67m，最長為30m，塔體沿順水流方向對稱。有限元計算對稱模型左半塔體及地基共剖分32665個空間塊體單元，36116個節點。

繪制出進水塔工作門擋水和檢修門擋水兩種工況指定截面的內力分布情況，準確地表明了進水塔結構水平面內和鉛直面內的受力特點，如表2所示。

由于用結構力學法計算框架中的桿，前提是桿件的幾何特征是橫截面尺寸要比長度小得多，即跨高比在8～12之間。而進水塔承受高水頭的作用一般截面尺寸較大，切取出框架中的桿件明顯具有深梁的性質，即跨高比L/H小于2.0～3.0。深梁通過壓縮剛度和剪切剛度把荷載傳到支座上，主要問題是抗剪及局部承壓。另外，進水塔體型復雜，結構力學方法在切取具有代表性的危險截面時，很難顧及到每個部位，有些部位取水平斷面會由于難以找到合適的支座而無法計算，只有取豎直斷面計算。結構力學方法還無法解決例如弧形工作門支座處的應力集中現象。因此，進水塔的靜力計算只用結構力學方法，存在有不足之處，計算結果只能是一種大致的估計，無法精確計算應力。

表 2 工作門擋水和檢修門擋水兩種工況指定截面最大靜內力

由計算結果和內力圖表分析看出，各個截面的靜內力大都符合傳統的結構力學規律。最大的軸向壓力發生在工況關檢修門擋水，位置在截面2，垂直Y軸方向高程219.0m水平剖面檢修門槽處，其大小為483.26×10kN；最大剪力發生在工況關工作門擋水，其大小為112.99×10kN，位置在截面3；最大彎矩發生在工況Ⅲ關檢修門擋水截面五，其大小為113.39×10kN·M，垂直X軸方向樁號0+079.3m豎直剖面進水塔下部結構。由ANSYS的三維有限元后處理程序MPML計算出的內力，很好地反映出了進水塔的內力分布具有結構力學特征，所以采用結構力學方法進行結構的初步設計基本上是可行的，但在局部區域中應參考三維有限元的計算結果。對于進水塔結構采用三維有限元進行計算，可以更好地反映地基特性、邊界條件和結構的整體性，使設計更為經濟、合理和安全可靠。

本文，筆者討論了進水塔結構應力分析研究方法，選用能準確模擬原結構的空間三維有限單元法，對盤石頭水庫泄洪洞進水塔在四種荷載組合工況下，應力分布的一般規律作了系統分析。

由計算結果和內力圖表分析看出，各個截面的靜內力大都符合傳統的結構力學規律。最大的軸向壓力發生在關檢修門擋水工況，位置在截面2，垂直Y軸方向高程219.0m水平剖面檢修門槽處，其大小為483.26×10kN；最大剪力發生在關工作門擋水工況，其大小為112.99×10kN，位置在截面3；最大彎矩發生在關檢修門擋水工況截面5，其大小為113.39×10kN·M，垂直X軸方向樁號0+079.3m豎直剖面進水塔下部結構。由ANSYS的三維有限元后處理程序MPML計算出的內力，很好地反映出了進水塔的內力分布具有結構力學特征，所以采用結構力學方法進行結構的初步設計基本上是可行的，但在局部區域中應參考三維有限元的計算結果。對于進水塔結構采用三維有限元進行計算，可以更好地反映地基特性、邊界條件和結構的整體性，使設計更為經濟、合理和安全可靠。運用ANSYS解決工程實際問題，應充分發揮其優點，結合本專業的特點開發出使用方便、操作簡單的專用分析軟件，這也是通用程序的一個發展方向。

浙江省新世紀高等教育改革·生產實踐改革與探索研究（ZC2010122）。