西德維納河維捷布斯克水電站廠房集水井結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算及配筋

1.張一鳴 2.張 彪

1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 2.北京國(guó)網(wǎng)普瑞特高壓輸電技術(shù)有限公司

西德維納河維捷布斯克水電站廠房集水井結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算及配筋

1.張一鳴 2.張 彪

1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 2.北京國(guó)網(wǎng)普瑞特高壓輸電技術(shù)有限公司

本文依據(jù)西德維納河維捷布斯克水電站廠房整體穩(wěn)定計(jì)算，利用ANSYS軟件應(yīng)用有限元分析方法建立該電站廠房集水井結(jié)構(gòu)的三維模型，計(jì)算出集水井結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5057-2009)并繪制EXCEL表格進(jìn)行配筋和驗(yàn)算裂縫，計(jì)算結(jié)果合理可靠。本文為配筋計(jì)算提供有效方法，并為該電站集水井結(jié)構(gòu)技術(shù)施工提供依據(jù)。

水電站廠房;集水井結(jié)構(gòu);有限元;配筋;裂縫

1 工程概況

維捷布斯克水電站為燈泡貫流式電站，總裝機(jī)容量4×10MW。電站樞紐主要由土石壩﹑發(fā)電廠房﹑開關(guān)站﹑泄洪沖砂閘﹑船閘等建筑物組成。工程主要建筑物自左至右依次布置：左岸土壩﹑船閘﹑連接段﹑泄洪閘﹑發(fā)電廠房﹑右岸土壩等。

2 有限元模型

根據(jù)集水井的受力與變形情況，選擇殼單元shell63進(jìn)行計(jì)算，由于shell63單元是帶厚度的殼單元，具有彎曲能力和膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。模型的建立范圍取集水井底板與側(cè)墻。整體計(jì)算模型的結(jié)點(diǎn)數(shù)為279個(gè)，單元數(shù)為260個(gè)。

計(jì)算模型的總體坐標(biāo)系取Y軸為垂直豎向，以▽0m高程處為原點(diǎn)，向上為正。由于整個(gè)有限元模型實(shí)際由5塊板構(gòu)成，在配筋計(jì)算中，根據(jù)所求板的位置，適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)軸，以輸出配筋計(jì)算所需要的應(yīng)力和內(nèi)力圖。采用線彈性材料，施加外水和基底壓力[1、2]，對(duì)簡(jiǎn)化的集水井模型進(jìn)行計(jì)算。如下圖1所示為正常蓄水位下x﹑y﹑z方向應(yīng)力圖(單位：Pa)。

由結(jié)果可知，集水井結(jié)構(gòu)在外水作用下始終處于受壓狀態(tài)，符合一般規(guī)律。正常蓄水位作用下X方向最大應(yīng)力2.78MPa，最小應(yīng)力-4.67MPa，Z方向最大應(yīng)力3.31MPa，最小應(yīng)力-5.32MPa，Y向最大應(yīng)力2.71MPa，最小應(yīng)力-5.5MPa，最小應(yīng)力絕對(duì)值均小于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。校核洪水位作用下X方向最大應(yīng)力1.35MPa，最小應(yīng)力-2.27MPa，Z方向最大應(yīng)力1.61MPa，最小應(yīng)力-2.59MPa，Y向最大應(yīng)力1.92MPa，最小應(yīng)力-2.68MPa，可見，校核洪水位計(jì)算結(jié)果不是控制工況，裂縫開展寬度計(jì)算時(shí)選取正常蓄水位計(jì)算即可。彎矩最大值出現(xiàn)在底板的中心部位，軸力最大出現(xiàn)在側(cè)墻固定約束地帶。

3 配筋計(jì)算

選取每個(gè)板中間單元作為跨中單元，相鄰兩邊的中間單元作為兩個(gè)跨度的支座單元進(jìn)行內(nèi)力提取，把相應(yīng)的彎矩和軸力轉(zhuǎn)化為單寬單元受力，然后按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第9.3.2條計(jì)算受壓狀態(tài)時(shí)受拉受壓鋼筋截面面積，編制EXCEL，由彎矩和軸力計(jì)算每個(gè)單元單寬時(shí)的配筋面積。配筋結(jié)果見下表：

圖1 正常蓄水位下x、y、z方向應(yīng)力圖(單位：Pa)

板號(hào) 配筋形式1號(hào)板(2米厚) 豎向 橫向5φ28 2、4號(hào)板(1.5米厚) 5φ28 5φ25 5φ25 5φ25 3、5板(1.5米厚) 5φ25

由《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第10.2.2條，按標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長(zhǎng)期作用影響的裂縫開展寬度wmax可按下式計(jì)算：

acr——考慮構(gòu)件受力特征的系數(shù)，對(duì)受彎和偏心受壓構(gòu)件，取值1.90；

Ψ ——裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，當(dāng)；

lcr——平均裂縫間距；

ES——鋼筋彈性模量；

v ——與受拉鋼筋表面形狀有關(guān)的系數(shù)：對(duì)帶肋鋼筋，取v =1.0

ftk——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

C——最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離，取c=50mm；

d ——鋼筋直徑(以mm計(jì))；

ρte——縱向受拉鋼筋的有效配筋率，

AS——受拉區(qū)縱向鋼筋截面面積；

σSK——受拉鋼筋應(yīng)力；

σ0——鋼筋初始應(yīng)力。對(duì)于長(zhǎng)期處于水下的結(jié)構(gòu)，允許采用σ0=20N/mm2

由于鋼筋和混凝土的材料現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)選好，﹑為常數(shù)，﹑c﹑b﹑﹑為定值，從式(1)～式(3)可以看出，鋼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200mm鋼筋間距，減小裂縫開展寬度的方式只能通過增加鋼筋直徑來改變。集水井位于地下，環(huán)境類別為二類，最大裂縫開展寬度0.3mm。對(duì)于的小偏心受壓構(gòu)件，可不驗(yàn)算裂縫寬度[3]。經(jīng)編制Excel計(jì)算，在正常使用極限狀態(tài)下計(jì)算內(nèi)力得到的裂縫開展寬度均滿足要求。

4 結(jié)論

本文以白俄維捷布斯克水電站廠房集水井結(jié)構(gòu)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)，提取內(nèi)力進(jìn)行配筋，結(jié)果正確反應(yīng)集水井結(jié)構(gòu)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)化計(jì)算，配筋結(jié)果與其他類似項(xiàng)目相吻合，符合一般工程經(jīng)驗(yàn)。為配筋計(jì)算提供有效的技術(shù)方法。

[1] GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[S]；

[2] DL5077-1997《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》[S]；

[3] DL/T5057-2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 [S]

[4]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(05)；12-15.