溢洪道閘室底板及翼墻有限元配筋計算分析★

陶警圓 張元澤

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

溢洪道作為土石壩最主要的泄水建筑物，其運行穩定直接關系到大壩結構的安全，閘室作為溢洪道的重要組成部分，其結構設計在整個溢洪道設計中顯得十分關鍵。采用傳統方法對此類水工大體積混凝土進行精確的應力分析有相當的難度，進而影響結構的配筋設計。因此如何對大體積混凝土結構進行精確的應力計算和配筋是工程設計中十分關注的問題。本文以猴子巖溢洪道閘室底板及翼墻配筋設計為例[1]，采用有限元分析方法及ANSYS軟件進行應力計算，求得各工況下結構的應力分布情況，通過應力積分將應力轉化為內力，從而確定結構的配筋情況。

1 有限元模型和參數

由于結構的單向尺寸遠大于其余兩向，滿足平面應變的計算條件，因此采用平面有限元計算方法來簡化計算。翼墻墻體選用平面結構單元(Plane42單元)，庫水選用平面流體單元(Fluid29)，采用四邊形映射網格進行劃分，網格尺寸控制在不大于0.5 m，翼墻與水交界面設置流固耦合邊界，有限元網格見圖1。

翼墻混凝土強度等級為C30，溢流堰抗沖耐磨混凝土等級為C35，底板混凝土等級為C20，模型巖體等級主要為Ⅲ2類，巖體的變形模量和抗剪強度取地質建議值平均值，材料的主要物理力學參數見表1。

表1 材料主要物理力學參數計算取值

選取受力情況最為不利的溢洪洞進口處斷面，正常運行工況下，翼墻內側無水，主要荷載包括自重、翼墻上水重、翼墻外側靜水壓力、底部揚壓力、波浪壓力。底部揚壓力考慮0.5的折減系數，計算浪壓力為51 kN，作用在正常蓄水位高程左翼墻上。右側翼墻外側靜水壓力，考慮排水管的作用，取水頭26.5 m，底部考慮0.5的折減系數。

水平向地震加速度ah取297gal, 根據規范，豎直向地震加速度取水平向的2/3，所以av取198gal。

2 基于有限元法的配筋方法

2.1 配筋原理

非桿件體系大體積混凝土，根據規范DL/T 5057—2009水工混凝土結構設計規范，附錄D中相關規定：無法按桿件結構力學方法求得截面內力的鋼筋混凝土結構，可由彈性力學分析方法求得結構在彈性狀態下的截面應力圖形，再根據拉應力圖形面積，確定承載力所要求的配筋數量[2]。

有限元配筋計算中可認為斷面的拉力值全部由鋼筋來承擔，配筋量采用有限元計算成果，參考其他工程經驗確定。根據規范，對截面上的拉應力進行積分，得到各斷面的拉力值，受拉鋼筋截面配筋面積As滿足式(1)要求[3]：

(1)

其中，σt截面環向拉應力；As為單寬鋼筋配筋面積；T為截面單寬彈性總拉力；l為拉應力區分布長度；fy為鋼筋抗拉強度設計值，取360 N/mm2；γd為鋼筋混凝土結構系數，取1.20。

假定配筋層數為a，鋼筋截面面積為A1，鋼筋間距為d(單位為cm)，則單位延米范圍內的配筋滿足以下關系式：

(2)

2.2 應力計算

通過計算得出，正常運行工況下，各向應力分布見圖2,圖3，從圖中可以看出，橫向正應力最大值為0.186 MPa，方向向右，位于翼墻頂部，豎向應力最大值為1.52 MPa，方向向上，位于左翼墻墻趾處。

地震工況時，各向應力見圖4,圖5。從圖中可以看出，橫向正應力最大值為7.45 MPa，方向向右，位于左側翼內側底部，豎向應力最大值為9.17 MPa，方向向上，位于右側翼墻墻踵處。

2.3 應力積分

根據正應力云圖，從斷面出現的拉應力區中選取拉力值最大的路徑，積分路徑示意圖見圖6,圖7。根據應力成果和應力積分路徑按照式(1)進行應力積分，得到拉力值后，按照式(2)進行配筋計算，計算成果如表2所示。

通過計算結果可見，正常運行工況下，X向最大拉力值很小，181 kN，只需構造配筋；Y向最大拉力值出現在左側翼墻1 807 m高程截面(path4)，最大值為279 kN，配筋面積931 mm2。

地震工況，X向最大拉力值出現在底板靠近左側翼墻內側截面(path1)，最大值為15 404 kN，配筋面積為51 346 mm2，靠近右側翼墻內側上部截面(path2)拉力值5 064 kN，配筋面積16 881 mm2，下半截面(path3)拉力值5 641 kN，配筋面積18 802 mm2；Y向最大拉力值出現在左側翼墻1 807 m高程截面(path4)，最大值為19 416 kN，配筋面積64 719 mm2，右側翼墻1 807 m高程截面(path5)，拉力值4 151 kN，配筋面積13 837 mm2。經分析對比，工程的實際配筋量與本計算的配筋量基本相當，此配筋方法可滿足工程實際的要求。

表2 沿路徑積分配筋成果

3 結語

采用有限元法計算結構的應力,根據應力分布結果進行沿應力路徑積分的配筋方法能夠得到精確的應力分布成果，并且能夠清晰明了地反映應力分布規律與鋼筋布置型式之間的關系，計算結果能夠滿足規范的要求，對大體積混凝土的配筋設計具有廣泛的應用價值。

參考文獻：

[1] 中國水電顧問集團成都勘測設計研究院.四川省大渡河猴子巖水電站可行性研究設計報告[R].2009.

[2] 劉玲玲，吳永恒.有限元法在大體積混凝土結構配筋計算中的應用[J].人民長江，2012,43(17):21-24.

[3] 張元澤，黃志澎，牟高翔，等.大崗山拱壩廊道三維靜力線彈性有限元分析及配筋方法研究[J].水電站設計，2014(2):13-16.