某泵站前池三維有限元分析

趙 斌

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021）

某泵站前池三維有限元分析

趙 斌

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021）

結合某泵站的工程實例，采用三維有限元分析軟件對泵站前池建立三維實體模型，分析了設計工況下結構應力，為工程設計提供了依據，對類似工程具有一定的借鑒意義。

泵站；前池；三維有限元；應力

1 概述

衡水市某泵站位于輸水管線始端，由進水前池和泵房組成，設計流量1.15m3/s，設計揚程55.5m，泵站內布置4臺水泵，3用1備。前池為鋼筋混凝土結構，平面尺寸為19.7m×11.8m，底板頂高程10.40m，厚1.0m，邊墻頂高程18.1m，厚0.7m。為便于水泵機組檢修，前池內設置4孔檢修閘，單孔寬3.9m，中墩厚0.9m。前池最高水位17.30m，設計水位15.00m，最低運行水位12.65m。

前池內布置有閘墩，底板、立墻、閘墩相互約束，當選取單寬板條進行二維簡化計算時，較難準確考慮相鄰板條間的變形協調及不平衡內力。因此，建立了三維模型對該泵站前池進行結構分析。

2 建立計算模型

結構分析采用ANSYS有限元軟件進行。

2.1 模型選取范圍

地基按半無限彈性體考慮，建立地基模型時按前池周圍1倍底板尺寸取用，順水流方向上下游各取11.8m，垂直水流方向兩側各取19.7m，厚度取20m，即地基實體模型尺寸為59.1m×35.4m×20m （長×寬×厚）。前池根據所擬定的幾何尺寸生成三維實體模型。由于前池及其所受荷載沿順水流方向軸線對稱，為了減少單元、節點數量，從而節省計算時間，按照程序有關原則，對模型進行優化，取一半結構進行分析。泵站前池及地基三維實體模型如圖1。

圖1 泵站前池及地基三維實體模型

2.2 約束條件

地基底面及四周側面均施加法向約束，根據對稱結構受力特點，對于前池結構對稱軸平面也施加法向約束。

2.3 材料屬性

前池為鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級C30，容重25kN/m3，彈性模量3.0×104MPa。地基以粘土、壤土為主，綜合變形模量取3.5MPa。前池周圍回填土容重19.2kN/m3，粘聚力15kPa，內摩擦角18°。

3 計算與分析

3.1 荷載及計算工況

根據本工程特點結合類似工程擬定兩種工況：①工況1：建筑物閉水試驗，前池內最高水位17.3m，池外尚未填土；②工況2：完建工況，前池內無水，池外填土至設計高程。

結構所受主要荷載為：靜水壓力、側向土壓力、邊荷載等。根據基本資料計算荷載并將其施加于三維模型，各工況荷載標準值有：

（1）前池底板頂面均布水壓力67.6kN/m2，作用于立墻的三角形水壓力分布荷載最大值67.6kN/m2。

（2）作用于前池立墻的三角形土壓力分布荷載最大值71kN/m2，前池周圍三角形邊荷載最大值103.7kN/m2。

作用于前池底板的靜水壓力為均布荷載，作用于邊墻的水壓力、土壓力按三角形分布荷載考慮，邊荷載按梯形分布荷載考慮。

3.2 成果分析

經求解計算，得到結構應力、應變等成果，計算工況下泵站前池（左半邊結構）主要應力云圖如圖2。

圖2 泵站前池（左半邊結構）計算工況應力云圖

從計算成果可以看出本工程前池結構受力有以下特點：

（1）閉水試驗工況前池較大拉應力主要分布在上游立墻與底板交接處及四周立墻交接處的迎水面，最大值3.38MPa。完建工況前池底板、立墻各部位應力均較小，相對較大的拉應力主要分布在底板上游側及上游立墻根部，最大值1.05MPa。

（2）前池下游側布置有閘墩，底板、立墻、閘墩相互約束，剛度較大，具有較強的抵抗變形能力，因此該區域整體呈現應力較小的特點。閘墩的布置減小了底板和下游立墻的跨度，大大改善了其受力狀態。

（3）四周立墻除了受到底板的約束外，還受到相鄰立墻的約束，因此，立墻的不同部位按所處的約束條件體現出不同的受力特點。上游立墻垂直水流方向較長，越靠近順水流方向對稱軸，其受力特點就越接近懸臂板，主受力方向為豎向，與底板銜接處應力最大。在相鄰立墻銜接的部位，越遠離底板，其受力特點越接近平面框架，主受力方向為橫向，立墻頂部應力最大。

根據前池各計算工況下不同部位的應力空間分布特點和規律進行有針對性的配置鋼筋。對于上游立墻與底板交接處及四周立墻交接處等拉應力較大的區域加強配筋，拉應力較小的部位、受壓區等區域根據受力情況適當減少或按構造配筋。

4 結語

通過建立三維有限元模型進行結構分析，更加準確地考慮了構件間的變形協調條件，得到了結構的三維力學成果，反映出應力的空間分布，突破了二維計算簡化模型的局限性，為工程設計提供了依據，使結構配筋更具有針對性，設計成果在技術上可靠的同時，經濟上更加合理。

［1］龔曙光.ANSYS基礎應用及范例分析（第一版）［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］龍馭球.彈性地基梁的計算（第1版）［M］.北京：人民教育出版社，1982.

［3］沈英武.彈性地基梁和框架分析文集（第一版）［M］.北京：水利出版社，1980.

［4］SL265—2001，水閘設計規范［S］.

［5］SL191—2008，水工混凝土結構設計規范［S］.

Analysis of a pumping station forebay by means of the three-dimensional finite element method

ZHAO Bin
（The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China）

In this article，combined with the engineering example of a pumping station， stress of the pumping station forebay in consideration of design condition was analyzed by means of the three-dimensional finite element method，it provided the basis data for engineering design and could be a reference for similar engineering.

pump station； forebay； three-dimensional finite element； stress

TV222

B

1672-9900（2015）02-0031-03

2015-03-17

趙 斌（1978－），男（漢族），河北石家莊人，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作，（Tel）13398610119。