大盈江四級電站進水口攔污柵三維有限元分析

蔣 敏 屈玉竹

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

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大盈江四級電站進水口攔污柵三維有限元分析

蔣 敏 屈玉竹

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

采用ANSYS有限元軟件，對攔污柵塔進行了靜、動力分析，探討了在靜、動力作用下結(jié)構(gòu)各部位的位移和應(yīng)力，結(jié)果表明，除需要對一些應(yīng)力集中部位及薄弱部位進行加強配筋外，結(jié)構(gòu)整體受力較好，滿足設(shè)計要求。

攔污柵，ANSYS，豎向位移，應(yīng)力

1 工程概述

大盈江四級電站進水口由攔污柵墩、洞室進水口及檢修閘門井組成。攔污柵墩采用塔式，布置型式為：在右泄洪沖沙閘右側(cè)上游電站進水口前布置攔沙坎及攔污柵墩，攔沙坎兼做攔污柵的柵墩基礎(chǔ)，坎頂以上設(shè)置6孔攔污柵，每扇孔口尺寸為5.0 m×21.7 m(凈寬×凈高)，攔污柵為直柵。攔污柵高47 m，其下部攔沙坎高21 m。

鑒于進水口攔污柵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只依靠傳統(tǒng)的計算無法準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)在動靜力工況下的應(yīng)力情況。因此，有必要對攔污柵塔進行三維有限元動、靜力分析研究，以評價攔污柵的結(jié)構(gòu)安全性，保證工程安全可靠。

2 計算模型及材料參數(shù)

采用大型三維有限元計算軟件ANSYS進行攔污柵結(jié)構(gòu)靜動力計算。取左側(cè)攔污柵進行計算，模型主要由攔污柵即其下部攔沙坎所組成。由于主要分析柵體結(jié)構(gòu)的受力情況，因而簡化模型，將基巖作用簡化為攔沙坎底部及下游側(cè)底面全約束。計算模型坐標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，三軸方向的確定規(guī)則為：X方向為水平向，指向左岸(面向下游)為正；Y方向亦為水平向，指向上游為正；Z方向為垂直向，指向上為正；坐標(biāo)原點定在攔污柵底面右側(cè)端點處(面向下游)。模型采用三棱柱單元，采用實體單元Solid185模擬；動力計算時，進水塔上游面用質(zhì)量單元模擬該面所受的水壓。計算模型見圖1。

塔體混凝土強度等級采用C25，靜彈性模量為28 000 MPa，混凝土容重為25 kN/m3，泊松比為0.167。

3 計算工況及荷載

為了研究進水塔的應(yīng)力變形規(guī)律，同時分析地震對進水塔的影響，共進行了4個工況的計算，各工況對應(yīng)的荷載組合詳見表1。

表1 攔污柵墩整體穩(wěn)定計算工況及荷載組合表

動力分析中，結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%，地震效應(yīng)影響不超過5%的高階振型略去不計，反應(yīng)譜值及其他動力參數(shù)按規(guī)范相關(guān)條款考慮。反應(yīng)譜曲線見圖2。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 動力分析

單獨地震時，考慮滿庫情況，即考慮動水壓力對進水塔結(jié)構(gòu)的影響，將動水壓力以附加質(zhì)量的形式施加給進水塔結(jié)構(gòu)，地震時壩上游面動水壓力按《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》中式(6.1.11)折算為單位地震加速度相應(yīng)的壩面附加質(zhì)量，具體見下式：

其中，Pw(h)為水深h處單位高度動水壓力附加質(zhì)量代表值；ρw為水體質(zhì)量密度；H0為水深；ah為水平向設(shè)計地震加速度代表值。

本計算研究中，考慮三個方向的地震荷載，豎向地震荷載計算參數(shù)基本同順河向，僅豎向設(shè)計地震加速度代表值取水平向設(shè)計地震加速度代表值的2/3。采用振型分解反應(yīng)譜法分別對地震荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了計算，并采用SRSS法對結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了組合作為地震荷載響應(yīng)。

根據(jù)計算結(jié)果，在地震及水庫水壓力作用下，綜合位移最大值出現(xiàn)在塔體頂部，其值為4.4mm，隨著高程減小，塔體位移減小。下游側(cè)攔污柵墩與攔沙坎相接的弧形面的小部分區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，使此處的拉應(yīng)力最大，為3.21MPa。攔污柵墩下部出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值平均約為1.6MPa,大于混凝土的設(shè)計抗拉強度，對此部分需要配筋以提高結(jié)構(gòu)承載力。攔污柵墩上游側(cè)最大拉應(yīng)力為柵墩與攔沙坎接觸面，約2.5MPa，隨著高程的增加，柵墩的拉應(yīng)力逐漸減小，對上游側(cè)柵墩也需要配筋以提高結(jié)構(gòu)的承載力。柵墩上半部主要承受壓力，其應(yīng)力值小于混凝土設(shè)計抗壓強度。攔沙坎部分承受拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值均小于1.3MPa，即小于混凝土的設(shè)計抗拉強度，攔沙坎結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好。

表2 塔體結(jié)構(gòu)最大位移匯總表 mm

4.2 靜力分析

1)位移計算結(jié)果。除地震作用工況外的其他三種工況的位移計算結(jié)果見表2。從表2的計算結(jié)果可以看出，在靜荷載作用下未出現(xiàn)較大的位移。最大位移不大于1 mm，且出現(xiàn)位置位于攔污柵塔體頂部，對塔體運行不會產(chǎn)生影響。

2)應(yīng)力計算結(jié)果。從計算結(jié)果得出，在靜荷載作用下，結(jié)構(gòu)中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置在頂部下游側(cè)梁與柵墩相接處，最大拉應(yīng)力為1.87 MPa，判斷此拉應(yīng)力主要是由于頂部活荷載作用而產(chǎn)生。此拉應(yīng)力大于混凝土的設(shè)計抗拉強度，在設(shè)計中需要對這些部位進行配筋。柵墩上游側(cè)最大拉應(yīng)力為0.77 MPa，出現(xiàn)在檢修工況，滿足設(shè)計要求。柵墩下游側(cè)底部與攔沙坎相交處最大拉應(yīng)力為0.53 MPa，滿足設(shè)計要求。攔沙坎受力狀況較好，其最大拉應(yīng)力為0.5 MPa，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件對大盈江四級水電站進水口攔污柵塔結(jié)構(gòu)進行了靜、動力分析。結(jié)果表明，本工程進水口攔污柵與攔沙坎方案能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力區(qū)。但在一些應(yīng)力集中部位及薄弱部位需要進行加強配筋，以滿足地震工況下的受力要求。

[1] DL 5073—2000，水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 王 俊,孫懷昆,任旭華.金安橋電站進水塔三維有限元靜動力分析[J].東北水利水電,2009(4)：79-80.

[3] 祖 威,孟凡理.猴子巖水電站高進水塔三維有限元分析[J].人民長江,2014(9)：46-47.

The 3D finite element analysis on trash rack of big Yingjiang four stage power plant blasthole

Jiang Min Qu Yuzhu

(Kunming Survey & Design Institute Limited Company, China Electric Power Construction Group, Kunming 650051, China)

Using ANSYS finite element software, this paper made static and dynamic analysis on trash rack tower, discussed the displacement and stress of each parts of structure under static and dynamic effect, the results showed that: in addition made strengthened reinforcement to some stress concentration position and weak parts, the whole structure had good stress, could meet the design requirements.

trash rack, ANSYS, vertical displacement, stress

1009-6825(2016)30-0060-02

2016-08-14

蔣 敏(1986- )，女，工程師

TU311.4

A