西德維納河維捷布斯克水電站廠房集水井結構有限元計算及配筋

1.張一鳴 2.張 彪

1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司 2.北京國網普瑞特高壓輸電技術有限公司

西德維納河維捷布斯克水電站廠房集水井結構有限元計算及配筋

1.張一鳴 2.張 彪

1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司 2.北京國網普瑞特高壓輸電技術有限公司

本文依據西德維納河維捷布斯克水電站廠房整體穩定計算，利用ANSYS軟件應用有限元分析方法建立該電站廠房集水井結構的三維模型，計算出集水井結構的內力，根據《水工混凝土結構設計規范》(DL/T5057-2009)并繪制EXCEL表格進行配筋和驗算裂縫，計算結果合理可靠。本文為配筋計算提供有效方法，并為該電站集水井結構技術施工提供依據。

水電站廠房;集水井結構;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，總裝機容量4×10MW。電站樞紐主要由土石壩﹑發電廠房﹑開關站﹑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﹑發電廠房﹑右岸土壩等。

2 有限元模型

根據集水井的受力與變形情況，選擇殼單元shell63進行計算，由于shell63單元是帶厚度的殼單元，具有彎曲能力和膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載。模型的建立范圍取集水井底板與側墻。整體計算模型的結點數為279個，單元數為260個。

計算模型的總體坐標系取Y軸為垂直豎向，以▽0m高程處為原點，向上為正。由于整個有限元模型實際由5塊板構成，在配筋計算中，根據所求板的位置，適當轉動坐標軸，以輸出配筋計算所需要的應力和內力圖。采用線彈性材料，施加外水和基底壓力[1、2]，對簡化的集水井模型進行計算。如下圖1所示為正常蓄水位下x﹑y﹑z方向應力圖(單位：Pa)。

由結果可知，集水井結構在外水作用下始終處于受壓狀態，符合一般規律。正常蓄水位作用下X方向最大應力2.78MPa，最小應力-4.67MPa，Z方向最大應力3.31MPa，最小應力-5.32MPa，Y向最大應力2.71MPa，最小應力-5.5MPa，最小應力絕對值均小于混凝土軸心抗壓強度設計值。校核洪水位作用下X方向最大應力1.35MPa，最小應力-2.27MPa，Z方向最大應力1.61MPa，最小應力-2.59MPa，Y向最大應力1.92MPa，最小應力-2.68MPa，可見，校核洪水位計算結果不是控制工況，裂縫開展寬度計算時選取正常蓄水位計算即可。彎矩最大值出現在底板的中心部位，軸力最大出現在側墻固定約束地帶。

3 配筋計算

選取每個板中間單元作為跨中單元，相鄰兩邊的中間單元作為兩個跨度的支座單元進行內力提取，把相應的彎矩和軸力轉化為單寬單元受力，然后按照《水工混凝土結構設計規范》[3]第9.3.2條計算受壓狀態時受拉受壓鋼筋截面面積，編制EXCEL，由彎矩和軸力計算每個單元單寬時的配筋面積。配筋結果見下表：

圖1 正常蓄水位下x、y、z方向應力圖(單位：Pa)

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

由《水工混凝土結構設計規范》[3]第10.2.2條，按標準組合并考慮長期作用影響的裂縫開展寬度wmax可按下式計算：

acr——考慮構件受力特征的系數，對受彎和偏心受壓構件，取值1.90；

Ψ ——裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數，當；

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的系數：對帶肋鋼筋，取v =1.0

ftk——混凝土軸心抗拉強度標準值；

C——最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區底邊的距離，取c=50mm；

d ——鋼筋直徑(以mm計)；

ρte——縱向受拉鋼筋的有效配筋率，

AS——受拉區縱向鋼筋截面面積；

σSK——受拉鋼筋應力；

σ0——鋼筋初始應力。對于長期處于水下的結構，允許采用σ0=20N/mm2

由于鋼筋和混凝土的材料現場已經選好，﹑為常數，﹑c﹑b﹑﹑為定值，從式(1)～式(3)可以看出，鋼筋直徑和截面寬度內配的鋼筋個數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，環境類別為二類，最大裂縫開展寬度0.3mm。對于的小偏心受壓構件，可不驗算裂縫寬度[3]。經編制Excel計算，在正常使用極限狀態下計算內力得到的裂縫開展寬度均滿足要求。

4 結論

本文以白俄維捷布斯克水電站廠房集水井結構配筋為例，應用ANSYS軟件建立模型，并計算變形和應力狀態，提取內力進行配筋，結果正確反應集水井結構的應力狀態，為結構設計提供可靠依據。編制的配筋EXCEL表格，有效提高了工作效率，簡化計算，配筋結果與其他類似項目相吻合，符合一般工程經驗。為配筋計算提供有效的技術方法。

[1] GB50009-2012《建筑結構荷載規范》[S]；

[2] DL5077-1997《水工建筑物荷載設計規范》[S]；

[3] DL/T5057-2009《水工混凝土結構設計規范》 [S]

[4]楊金源.基于三維有限元分析的廠房結構配筋和裂縫寬度設計[J].人民珠江，2011(05)；12-15.