MIDAS Civil在金橋水電站泄洪排漂閘現(xiàn)澆板梁受力計(jì)算中的應(yīng)用

周 燕

（中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007）

西藏金橋水電站工程是西藏自治區(qū)“十二五”能源發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，也是西藏自治區(qū)“十三五”的能源接續(xù)項(xiàng)目?，F(xiàn)澆板梁施工是工程施工中的重要環(huán)節(jié)，通過MIDAS Civil建模及動態(tài)演示得知設(shè)計(jì)的支撐系統(tǒng)存在的不足和富裕度，結(jié)合相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案使施工做到經(jīng)濟(jì)、安全。本文通過MIDAS Civil對其受力情況進(jìn)行分析。

1 工程概況

金橋水電站位于西藏自治區(qū)那曲市嘉黎縣境內(nèi)，上距嘉黎縣100 km，下距忠玉鄉(xiāng)10 km，嘉（黎）—忠（玉）公路從首部樞紐及廠區(qū)通過，交通便利。金橋水電站是易貢藏布干流上規(guī)劃的第5個(gè)梯級電站，為引水式電站，工程的主要任務(wù)是在滿足生態(tài)保護(hù)要求的前提下發(fā)電，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

水庫正常蓄水位為3425.00 m，死水位為3422.00 m，水庫總庫容38.17萬m3，調(diào)節(jié)庫容11.83萬m3；首部樞紐建筑物最大壩高26 m，電站總裝機(jī)容量66 MW（3×22 MW），年發(fā)電量3.88億kW·h，保證出力13.5 MW，年利用小時(shí)5873 h。電站屬Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時(shí)建筑物為5級。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。工程樞紐主要建筑物由左岸堆石混凝土壩、泄洪沖沙閘、排漂閘、右岸岸邊式電站進(jìn)水口，引水發(fā)電隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、地下發(fā)電廠房及開關(guān)站等建筑物成。

2 現(xiàn)澆板梁施工簡述控制

2.1 施工工序

泄洪閘及排漂閘混凝土澆筑施工工序：焊接工字鋼腳座→起吊工字鋼至混凝土已成形平臺→焊接加固工字鋼及安放找平縱梁→安裝橫梁→鋪裝方木及膠合板→模板校核并加固→鋼筋制安→整體驗(yàn)收→混凝土澆筑施工。

2.2 工字鋼腳座焊接、吊裝

泄洪閘及排漂閘梁板混凝土澆筑3411.40 m和3415.70 m高程，平臺處布置I18工字鋼進(jìn)行支撐，樁號壩下0+12.55～壩下0+013.55處支撐系統(tǒng)用雙支I18的工字鋼進(jìn)行支撐，其余高程梁板布置單支I18工字鋼進(jìn)行布置。工字鋼基礎(chǔ)腳座采用30 cm×30 cm×2 cm鋼板，鋼板切割完成后在鋼筋加工廠與工字鋼進(jìn)行滿焊。焊接完成后由載重汽車運(yùn)輸至現(xiàn)場由塔機(jī)吊運(yùn)至平臺處安裝。樁號壩下0+12.55～壩下0+013.55處雙支工字鋼在高程3414.53 m布置人字撐。

2.3 縱梁安放

支撐工字鋼安裝加固完成后，在支撐工字鋼頂部高程3418.05 m、3418.55 m高程處，布置兩根縱梁工字鋼，縱梁工字鋼上部布置橫跨流道的橫向I18找平工字鋼。閘室梁與梁之間的現(xiàn)澆混凝土板，支撐系統(tǒng)采用布置在縱梁上部的I16工字鋼進(jìn)行支撐，頂部設(shè)置2根橫梁以及上部安放縱向找平工字鋼[1]。

2.4 模板鋪裝

現(xiàn)澆混凝土梁板澆筑，采用1.2 cm厚的膠合板，膠合板背部設(shè)置7 cm×4 cm方木，方木布置間距為20 cm?，F(xiàn)澆梁處的模板安裝完成后，方木背部采用φ50鋼管進(jìn)行對拉?，F(xiàn)澆板部位模板制安，采用在工字鋼上鋪設(shè)方木，方木上部鋪設(shè)膠合板進(jìn)行。所有模板制安完成后在模板下口及模板間使用高壓縮橡膠帶，以保證縫面嚴(yán)密，澆筑不漏漿。模板的安裝、定位、拆卸、轉(zhuǎn)移等工作主要是人工進(jìn)行，以減少塔機(jī)的用量。

拆模時(shí)檢查混凝土面，對有缺陷部位，利用模板上的工作平臺及時(shí)消缺，并對下層定位錐孔洞進(jìn)行封堵。

3 MIDAS Civil軟件結(jié)構(gòu)受力分析

MIDAS Civil是針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是分析預(yù)應(yīng)力箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)可以進(jìn)行非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析。為能夠迅速、準(zhǔn)確地完成類似結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)，以填補(bǔ)結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)軟件市場的空白，而開發(fā)的“土木結(jié)構(gòu)專用的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件”[2]。

3.1 模型建立

泄洪閘閘室結(jié)構(gòu)由C25混凝土、I16工字鋼、I18工字鋼、鋼筋四種材料組成，其中框排架部分由I16工字鋼、I18工字鋼、鋼筋建造，外圍護(hù)墻體為C25混凝土構(gòu)成，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力性能和結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)成方式，在保證結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)不變的前提下，將模型做以下幾方面的簡化：①不考慮混凝土邊墻的剛度；②模型不考慮地基對模型抗震性能和溫度變化的影響，建模時(shí)將閘底全部固結(jié)。

使用大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS Civil，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，使用323個(gè)梁單元模擬工字鋼支架，使用36個(gè)桁架單元模擬次要支架和鋼筋，模型建立過程中使用的基本材料參數(shù)，見表1。

表1 模型建立使用基本材料參數(shù)

3.2 荷載工況確定

本工程中，混凝土入倉時(shí)，先澆梁，后澆板，最終進(jìn)行三個(gè)工況組合的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算[3]。

（1）工況一：鋼架支撐系統(tǒng)搭設(shè)完成，考慮結(jié)構(gòu)鋼架自重、模版重量、施工荷載，以及風(fēng)荷載。

（2）工況二：現(xiàn)澆梁，考慮結(jié)構(gòu)（鋼架+現(xiàn)澆梁）自重、施工荷載，以及風(fēng)荷載。

（3）工況三：現(xiàn)澆板，考慮結(jié)構(gòu)（鋼架+現(xiàn)澆梁+現(xiàn)澆板）自重、施工荷載，以及風(fēng)荷載。

由于橫梁下不同區(qū)域混凝土澆筑的高度不同，所以混凝土自重荷載需根據(jù)混凝土澆筑高度不同分區(qū)確定。

模板與施工荷載Fz=-0.25 kN，風(fēng)荷載Fy=0.22。分項(xiàng)系數(shù)自重取1.2，施工荷載取1.3，風(fēng)荷載取1.4。

荷載工況表和應(yīng)力工況表見表2、表3。

表2 荷載工況表

表3 應(yīng)力工況表

3.2.1 工況一

（1）應(yīng)力。在工況一的荷載條件下，鋼架主梁部分的最大拉應(yīng)力為35.07 MPa，最大壓應(yīng)力為-90.26 MPa。其他部分構(gòu)件最大拉應(yīng)力為0.76 MPa，最大壓應(yīng)力為-1.87 MPa。

（2）變形。在工況一的荷載條件下，鋼架支撐系統(tǒng)豎向與水平向X/Y最大變形分別是2.70 mm和1.45/16.28 mm。

（3）支撐反力。在工況一的荷載條件下，鋼架支撐系統(tǒng)豎向與水平向最大反力分別是1.68 t和0.0025 t。

3.2.2 工況二

（1）應(yīng)力。在工況二的荷載條件下，鋼架主梁部分的最大拉應(yīng)力為123.26 MPa，最大壓應(yīng)力為-81.47 MPa，。其他部分構(gòu)件最大拉應(yīng)力為2.52 MPa，最大壓應(yīng)力為-7.65 MPa。

（2）變形。在工況二的荷載條件下，鋼架支撐系統(tǒng)豎向與水平向X/Y最大變形分別是2.96 mm和0.56/13.96 mm。

（3）支撐反力。在工況二的荷載條件下，鋼架支撐系統(tǒng)豎向與水平向最大反力分別是8.4 t和0.032 t。

3.2.3 工況三

（1）應(yīng)力。在工況三的荷載條件下，鋼架主梁部分的最大拉應(yīng)力為257.24 MPa，最大壓應(yīng)力為-104.87 MPa。其他部分構(gòu)件最大拉應(yīng)力為4.48 MPa，最大壓應(yīng)力為-19.00 MPa。

（2）變形。在工況三的荷載條件下，鋼架支撐系統(tǒng)豎向與水平向X/Y最大變形分別是3.14 mm和0.84/8.60 mm。

（3）支撐反力。在工況三的荷載條件下，鋼架支撐系統(tǒng)豎向與水平向最大反力分別是15.41 t和0.06 t。

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析可知：厚度或直徑＞（16 mm～35 mm），Q345的抗拉壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為295 MPa，各工況的最大拉壓應(yīng)力小于設(shè)計(jì)值，所以滿足條件。鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2），見表4。

表4 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）

4.2 位移分析

工字鋼撓度1/400，各方向位移均滿足要求。Y方向的位移基本上是不變的，主要位移是風(fēng)荷載引起的。位移工況表，見表5。

表5 位移工況表

4.3 支反力分析

根據(jù)支反力分析，總的來說上層鋼架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。支反力工況表，見6。

表6 支反力工況表

5 結(jié)語

采用MIDAS Civil受力軟件能夠夠好的解決支撐系統(tǒng)因計(jì)算不合理導(dǎo)致出現(xiàn)安全隱患及在校核設(shè)計(jì)方案存在的不足及富裕度，在經(jīng)濟(jì)方面也較為突出。西藏金橋水電站采用以上計(jì)算軟件，節(jié)省了大量時(shí)間，而且施工相對方便，也節(jié)省了人力，同時(shí)加快了施工進(jìn)度，確保了施工安全。為同類水電站基礎(chǔ)施工提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。