伍佑南閘站泵站結構空間有限元靜力分析

常根朋

(鹽城市水利勘測設計研究院，江蘇 鹽城 224002)

1 概 述

近幾十年來，國家對修建泵站工程進行了大量投資，但在泵站設計中泵站結構的整體性和穩定性不容忽視。泵站結構是一個空間結構，只要某一局部結構施加荷載作用，整個結構都要受到影響，從而產生一定的應力應變，因此分析泵站結構的受力情況是一個空間問題。

目前的分析方法有材料力學法、結構力學法和有限元法。材料力學法[1]、結構力學法在泵站的應力分析計算中，是將復雜的空間結構簡化為平面結構，所選取的截面是獨立的[2]，與現實的結構受力情況是有差距的。

有限元法借助于功能強大的有限元應用軟件，采用整體建模，充分考慮各個結構之間的相互影響作用，真實地反映出結構的應力應變情況，并且結果能夠以應力應變云圖的形式顯示，清晰明了。

本文結合實際工程，采用大型ANSYS有限元分析軟件對伍佑南閘站空間結構在不同工況、多種復雜荷載作用下的應力應變情況進行分析。經過成果的提取和查看，更加詳實地展現了各結構部位的應力應變情況。

2 有限元分析方法[3]

有限元法是用有限個單元將連續體離散化，通過對有限個單元求解各種力學、物理問題的一種數值方法，是矩陣方法在彈性力學和結構力學等領域中的應用和發展。有限元的計算主要是通過有限元模型建立、網格劃分、單元分析、整體分析等步驟完成。

實體模型的建立：有限元軟件為模型的建立提供了各種單元和材料用以模擬工程的真實情況。

網格劃分：把原有的連續體劃分為有限個單元體的過程，劃分開的單元體之間通過單元節點相互連接。由節點、單元所構成的集合為網格。網格劃分時應注意劃分的數量、疏密，網格劃分的質量直接影響計算精度。

單元分析：單元分析就是要建立節點位移與節點力之間的關系方程式。首先要確定一個單元內部位移的近似表達式，然后再求解單元的應力應變，最后建立單元中節點力和位移之間的關系式。

整體分析：是對全部單元組成的整體進行分析，建立節點作用力和節點位移之間的關系，從而求解出節點位移、節點力。

3 結構模型及荷載分析

3.1 工程概況

串場河伍佑南閘站泵房采用堤身式布置，泵房布置在通航孔兩側，每側2孔，閘站中間設通航孔。泵站設計流量40 m3/s，裝置單機流量為10 m3/s的豎井貫流泵4臺套。單臺機組泵室凈寬5.6 m，泵站采用平直管式進水流道和虹吸式出水流道。泵房底板面高程為-3.00 m，底高程為-5.75～-4.50 m，順水流向長30 m，站身上下共分3層。底板至高程-0.25 m之間為進水流道層，高程-0.25～3.80 m之間為工作層，高程3.80 m為巡視層。

通航孔凈寬18 m，底板面高程為-2.50 m，底高程為-4.50 m，門檻和消力坎頂高程均為-2.00 m，順水流向總長30 m。通航孔上方布置中控室，采用預應力砼箱梁結構，梁底高程為5.30 m，通航孔閘門采用鋼質平面直升門結構形式。

3.2 模型建立

3.2.1 軟件選擇

隨著ANSYS有限元軟件在工程中的逐漸應用和推廣，近些年來ANSYS在水利方面用來模擬大壩、水電站、泵站、水閘、渡槽等建筑物的力學行為具有較大的優勢[4]，本文采用ANSYS有限軟件對伍佑南閘進行了精細的空間應力應變分析。ANSYS的分析過程第一要建立實體模型，第二在建立模型的基礎上劃分網格，第三施加各工況下的荷載，最后進行有限元的分析計算。

3.2.2 材料參數

混凝土：采用C25混凝土，彈性模量為2.8e7kPa，泊松比為0.167，密度為2 500 kg/m3。

鋼結構：彈性模量為2e8kPa，泊松比為0.2，密度為7 800 kg/m3。

3.2.3 模型建立

該模型的建立采用從下往上的建模方式，先點后線再面，最后成體的過程，這樣的建模過程能夠比較清楚地顯示各局部結構的布置情況和各關鍵點的空間坐標，對于比較復雜的模型是比較適用的。此次模型的建立采取了比較精細化的建模方式，對泵站中的豎井式進水流道和倒虹吸式的出水流道采用實際尺寸建模。

考慮到模型進出流道中有較多的曲面和局部結構，在網格劃分時比較細致，所以生成較多的單元。在計算的過程中，由于計算機計算能力不夠強大，總是出現停止工作的情況，所以取模型的一半作為研究對象。為了比較好的模擬結構整體，在切開面處施加對稱約束，這樣簡化了計算過程。本模型采用Solid單元，本模型共78個實體，上部泵站和通航孔及底板共有70個，泵站的上部模型結構見圖1。

3.2.4 網格劃分

網格的劃分，針對比較規整的地基才有六面體實體單元劃分。對于泵站的上部結構，由于進出水流道等不規則曲面的影響，采取四面體實體單元劃分，上部結構劃分單元555 891個，下部地基結構劃分單元39 049個，整體網格劃分單元600 489，劃分節點138 029個，整體網格劃分見圖2。

圖1 空間結構模型圖

圖2 模型網格劃分圖

3.2.5 模型約束

3.3 荷載分析

3.3.1 荷 載

作用在泵房上的荷載有自重、靜水壓力、揚壓力、土壓力、邊荷載和其他荷載。

3.3.2 荷載組合及施加

荷載組合分為基本組合和特殊組合兩類。基本組合由同時出現的幾種基本荷載組成，正常蓄水位情況、設計洪水位情況都屬于基本組合。在水工建筑物運行期內，兩種特殊荷載同時出現的幾率很小，因此特殊組合由同時出現的幾種基本荷載和一種特殊荷載組成。校核洪水位情況、地震情況和施工情況都屬于特殊組合。

本文對泵站進行了工況一、工況二、工況三和工況四的有限元靜力分析荷載組合。見表1。

表1 荷載組合

注：①水位高程為3 m；②水位高程為3.3 m；③水位高程為1 m。

4 成果分析

本文主要是研究上部泵站結構的應力應變情況，由于篇幅有限，后期成果只提取了較為直觀的上部泵站結構控制點位移及Y為10 m處剖面內力圖。

（3）通過以下三點來穩定溶液的向上托力：設計循環流量380～450m3/h來穩定流量；將除鎘槽內部DN500的玻璃鋼進液管延長，形成向下切口；當溶液進入反應器時，在進液口受阻流板阻擋，形成收縮型，流量相同的情況下，流速增加，溶液的沖擊力加大；把原來的除鎘攪拌機電機功率由22kW提到30kW，攪拌機軸及槳葉保持不變。

模型的整體坐標：垂直水流向為X軸，順水流向為Y軸，豎直向為Z軸；坐標原點位于泵站的下游側進水口處，見圖3。

圖3 控制點位置示意圖

4.1 控制點位移

為了更好了解整個結構的位移情況，在泵站底板面選取6個控制點，分別位于4個角點和中間位置，編號依次為1-6，各控制點在各種工況下各向的位移見表2-表4。

表2 控制點的X向位移數據

表3 控制點的Y向位移數據

表4 控制點的Z向位移數據

通過數據對比可以得出，合位移量最大值出現在工況一，相對位移量出現在工況二和工況四之間，相對最大位移量為0.487 cm，主要是由于浮托力和滲透壓力和水重的影響，而校核期雖然水位差較大，但也導致了較大的滲透壓力和浮托力，從而相比工況二略有減小的趨勢；由工況二和工況三的位移量可以看出，在X向、Z向的位移量二者均相差不大，在Y向由于校核期上游水位的影響，工況三的Y向位移量較大一些。通過X向位移表格得出，在工況四條件下，泵站發生了較小的傾斜，上端傾向于岸邊側，下端滑向河道中心側。

通過以上位移數據可以看出，發生的最大位移量2.796 cm，沒有超出規范的要求，并且在控制點處的相互之間的位移差沒有超過1 cm，可以得出該泵站具有較好的穩定性。

4.2 典型斷面——Y為10 m處剖面第一主應力圖

見圖4。

圖4 各工況剖面第一主應力云圖

通過圖4可以看出，泵站的整體截面大都在拉應力區，通過對模型在自重作用下的計算分析可以看出，在通航孔側的邊墩底部承受較大的拉應力，考慮其原因主要是因為通航孔上部排架自重作用，使得泵站底板出現拉應力區，但是數值大約在1～1.5 MPa之間，為了防止結構的拉裂破壞，建議對底板配筋。泵站進水流道的尖角位置出現局部拉應力區，考慮其原因主要是因為應力集中引起。

5 結 語

本文通過應用ANSYS有限元軟件對伍佑南閘站進行空間有限元靜力分析，較好地考慮了結構之間的相互作用，改善了常規計算方法在結構相互作用上的不足。復雜荷載施加和邊界條件約束，在有限元分析中按照工程的實際狀態施加，分析成果可以更真實地反映應力應變情況，為此類泵站的設計提供了參考依據。

根據在本次研究中的深刻體會，提出幾點建議，在以后研究中可予以改進：

1) 近年來，多地地震情況頻繁發生，介于泵站結構在城市發展中所處的重要地位，應該對泵站結構進行地震分析。

2) 有限元方法在近年來雖然被越來越廣泛的應用，但是有限元在工程界還未能普及使用，對于有限元方面的規范相對缺少，限制了有限元方法進一步推廣，建議在這方面有更多的研究補充。