基于ANSYS的尾水管襯砌結構有限元分析

張羽佳，白朝偉，李國順

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

某水電站工程為Ⅲ等中型工程，根據相關設計資料可知，其多年平均入庫流量1140.0 m3/s，水庫運行過程中，正常蓄水位3425 m，死水位3422 m，總庫容38.17萬 m3，正常尾水位3275.58 m，設計尾水位3278.03 m，校核尾水位3278.52 m。主要建筑物包括重力壩、泄洪沖沙閘、引水隧洞、廠房等。廠房和安裝間的布置形式為“一”字形，副廠房布置位于主廠房的左側，尾水洞的斷面為城門洞型。本文在對尾水管的研究過程中根據相關研究要求，選擇合適的對象進行研究，即尺寸2.94 m×3.46 m，襯砌厚62.85 cm的斷面，對其受力情況進行有限元分析。根據經驗可知尾水管在運行過程中不容易受到溫度變化的影響，因而在計算過程中可不必針對溫度應力專門計算。假設圍巖對襯砌可產生一定載荷作用，并影響到其表面，為簡化分析而假設圍巖與襯砌中有一定的彈性抗力，在此基礎上對襯砌結構的受力情況進行分析，同時研究其變形分布規律[1]。

2 有限元模型建立

選擇對象為尺寸2.94 m×3.46 m，厚62.85 cm的襯砌斷面，進行有限元模擬分析，通過有限元軟件中的梁單元模擬尾水管的襯砌，襯砌和圍巖的作用通過彈簧單元combin14進行模擬，設置1 m單寬，有限元模型見圖1。根據受力情況進行分析可知，在計算過程中圍巖和襯砌不承受拉力，因而需要在一定迭代基礎上刪除受拉的單元，而獲得滿足要求的結果。

圖1 尾水管計算模型

3 計算參數及工況

3.1 計算參數

尾水管襯砌混凝土計算的相關數據見表1。

表1 襯砌混凝土及圍巖材料參數表

3.2 計算工況

本文在計算分析過程中，相關的參數都基于《水工混凝土結構設計規范》[2]進行選擇并計算。在參數選擇時，對其中的結構重要性系數γo、設計狀況系數ψ等數據依據表2結果進行選取。

計算工況及荷載組合根據《水工隧洞設計規范》[3]進行選擇，結果見表3。

表2 結構重要性系數γo、設計狀況系數ψ及結構系數γd表

表3 計算工況及荷載組合

3.3 計算荷載

3.3.1 圍巖壓力

進行圍巖壓力計算時，根據《水工建筑物荷載設計規范》[4]相關標準要求進行計算，其中的垂直圍巖壓力基于式（1）進行分析，而水平方向的則根據式（2）確定：

式中：qvk為垂直均布壓力標準值；γR為巖體重度，kN/m3；B為洞室開挖寬度。

式中：qhk為水平均布壓力標準值，kN/m2；H為洞室開挖高度，m。

本文在計算過程中根據設計手冊以及相關經驗進行系數選取，對（0.2~0.3）的系數，計算過程中選擇 0.25，對于（0.05~0.1）區間內的系數，進行對比采用0.075。

3.3.2 內水壓力

內水壓力計算是根據設計規范[4]進行分析，并根據如下關系式確定出襯砌的內水壓強標準值：

式中：pw為內水壓強標準值，kN/m2；γw為水的重度，本文計算時采用9.8kN/m3；H為作用水頭。

3.3.3 外水壓力

進行外水壓計算時，根據同樣的規范標準[4]，基于如下表達式確定出襯砌的外水壓強標準值：

式中：pek為相應的外水壓強標準值，kN/m2；βe為外水壓力折減系數，本文在計算分析時采用0.4；He為作用水頭，m。

3.3.4 揚壓力

本次計算過程中，為方便分析而單純考慮浮托力進行揚壓力計算，壓力方向和結構基礎面保持垂直，并根據如下的關系式確定出揚壓力標準值：

式中：U1為浮托力，kN；H為揚壓力計算水頭；S為浮托力作用投影面積，m2；γw為水的重度，選擇同上。

3.4 計算結果及分析

在計算分析過程中，選擇了有限元軟件進行計算，各工況下內力結果如表4所示。由計算結果可知，尾水管襯砌結構在設計洪水工況下最為不利。這種工況條件下相應的底板軸力為274.15 kN，最大剪力為646.88 kN，最大彎矩為411.87 kN·m；邊墻軸力為706.70 kN，剪力和最大彎矩的最大值為255.03 kN與207.09 kN·m；頂拱軸力為658.57 kN，對應的剪力和彎矩最大值為92.89 kN與49.54 kN·m。圖2~圖4顯示了最不利工況下的軸力、剪力、彎矩分布情況。

表4 內力結果匯總表

圖2 軸力圖

圖3 剪力圖

圖4 彎矩圖

根據受力分析可知這種襯砌結構為大偏心受壓構件，進行配筋計算時，基于規范[2]要求，選擇縱筋為 25@200，分布筋選配 16@200。

4 結語

本文對尾水管典型斷面的受力情況進行研究，采用ANSYS軟件建立尾水管典型斷面的二維有限元模型，分析了襯砌結構一定工況條件下的受力和變形情況。根據所得結果表明尾水管在運行過程中，在一定壓力和重力作用下，設計洪水工況下最不利。尾水管襯砌結構在運行期間底板與邊墻的受力明顯高于其他部位的，對比分析發現側墻和底板的連接區域的內力達到最高水平。