基于三維有限元的孔口結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和配筋研究

2020-09-23 07:17:08魏剛文潘燕芳

水電站設(shè)計(jì) 2020年3期

李靜，魏剛文，潘燕芳

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

根據(jù)現(xiàn)行《水工混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，由彈性理論分析法確定非桿系混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋用量，采用有限單元法對(duì)混凝土開裂前后受力狀態(tài)有顯著變化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。但韓玉蓮[1]認(rèn)為，理論上混凝土結(jié)構(gòu)可以由應(yīng)力圖形配筋法進(jìn)行配筋計(jì)算。以某電站為例，該電站重力壩最大壩高77 m，共24個(gè)壩段，沖沙底孔壩段并排設(shè)置兩個(gè)沖沙底孔，孔口尺寸均為6 m×8 m，“一壩雙孔”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和位于強(qiáng)地震帶的壩址特點(diǎn)致使孔口應(yīng)力復(fù)雜，防裂問題尤為突出，故研究其應(yīng)力及配筋具有重要意義。本文采用三維線彈性有限元法對(duì)沖沙底孔周邊混凝土結(jié)構(gòu)典型部位進(jìn)行應(yīng)力分析，評(píng)價(jià)其應(yīng)力狀態(tài)，并以“靜力應(yīng)力為輔、動(dòng)力分析為主”為基礎(chǔ)，進(jìn)行動(dòng)力配筋設(shè)計(jì)，為壩工孔口結(jié)構(gòu)動(dòng)力配筋設(shè)計(jì)提供了參考。

1 沖沙孔流道結(jié)構(gòu)

某電站壩頂高程3 249.00 m，最大壩高77 m，14號(hào)壩段并排設(shè)置兩個(gè)沖沙底孔，孔口尺寸均為6 m×8 m。沖沙孔采用有壓深式進(jìn)水孔形式，包括進(jìn)口段、壓力段、出口明流段。底孔壩段泄水孔壓力段前端設(shè)平板事故檢修門和平板工作門，出口采用兩段圓弧過渡與消力池底板相接。

2 三維有限元的孔口結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

2.1 計(jì)算模型和計(jì)算荷載

利用有限元分析計(jì)算軟件ABAQUS建立壩段-地基整體三維有限元計(jì)算分析模型(見圖1)。計(jì)算荷載及荷載作用系數(shù)取值根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]及電站基本資料確定。其中，抗震計(jì)算根據(jù)水電工程《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的規(guī)定，采用動(dòng)力分析方法中的振型分解法，各階振型的地震作用效應(yīng)按平方和方根法組合。大壩地震基巖動(dòng)峰值加速度140 gal，阻尼比為10%。設(shè)計(jì)反應(yīng)譜采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜(見圖2)。對(duì)于重力壩，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值代表值βmax取2.0，下限值βmin應(yīng)不小于βmax的20%，因此計(jì)算時(shí)取0.4。壩基為Ⅲ2基巖，場(chǎng)地類別為Ⅰ0類，根據(jù)場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期調(diào)整表調(diào)整后，標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的特征周期取0.3 s，并選取40階振型。

圖1 沖沙底孔壩段有限元模型

2.2 靜力計(jì)算成果分析

由正常蓄水位下正常運(yùn)行狀態(tài)(持久工況)沖沙孔孔身段應(yīng)力計(jì)算成果(見表1)可以看出，沖沙孔孔身段最大主應(yīng)力以及橫河向正應(yīng)力約為1.34 MPa，大于C9025混凝土有限元計(jì)算允許靜態(tài)拉應(yīng)力

0.59 MPa，拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在沖沙孔頂板和底板靠邊墻部位。沖沙孔孔身段順河向正應(yīng)力最大值為0.2MPa，拉應(yīng)力區(qū)在孔口兩側(cè)邊墻縫面區(qū)域，頂板和底板的順河向應(yīng)力均為壓應(yīng)力。沖沙孔孔身段的垂直向正應(yīng)力最大值為0.26 MPa，拉應(yīng)力區(qū)分布在兩側(cè)邊墻縫面區(qū)域，頂板和底板的垂直向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力。沖沙孔孔身段最小主應(yīng)力值為2.8 MPa，遠(yuǎn)小于C9025混凝土的有限元計(jì)算允許靜態(tài)抗壓強(qiáng)度值5.82 MPa，具有較大安全裕度。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

2.3 動(dòng)力計(jì)算成果分析

從表1中正常運(yùn)行+地震偶然狀況下(偶然狀況)孔身段應(yīng)力計(jì)算成果可以看出，孔身段結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為3.73 MPa，垂直向正應(yīng)力最大值為3.2 MPa，橫河向正應(yīng)力最大值為1.2 MPa，三者均大于C9025混凝土有限元計(jì)算允許動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力0.82 MPa，且橫河向正應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū)集中分布在頂板和底板的角緣位置。沖沙孔孔身段順河向正應(yīng)力最大值為0.6 MPa，小于C9025混凝土有限元計(jì)算允許動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力0.82 MPa，主要分布在底板和邊墻部位，頂板的順河向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力。垂直向正應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū)集中分布在上游面邊墻靠近底板高程區(qū)域，沖沙孔孔身段最小主應(yīng)力值為0.27 MPa，遠(yuǎn)小于C9025混凝土的動(dòng)態(tài)允許抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值8.21 MPa，具有較大安全裕度。

表1 持久狀況和偶然狀況工況下沖沙孔孔身段應(yīng)力計(jì)算成果

3 有限元應(yīng)力配筋研究

采用三維線彈性有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算，以有限元應(yīng)力計(jì)算的靜力成果為基礎(chǔ)，動(dòng)力計(jì)算成果作參考，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5057-2009)附錄D中規(guī)定[5]，參照類似工程配筋方案，設(shè)計(jì)沖沙孔孔身段配筋。

3.1 計(jì)算公式

按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5057-2009)附錄D中規(guī)定的“非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的線彈性應(yīng)力圖形法配筋計(jì)算原則”，對(duì)14號(hào)壩段沖沙孔孔身段孔口進(jìn)行結(jié)構(gòu)正應(yīng)力法配筋，計(jì)算公式為：

(1)

式中，T為由荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算出的混凝土截面彈性總拉力(計(jì)算時(shí)還應(yīng)乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0和設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ)，MN；Tc為混凝土承擔(dān)的拉力(當(dāng)按式(1)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，Tc不宜超過總拉力T的30%，當(dāng)受拉區(qū)高度大于結(jié)構(gòu)截面高度的2/3時(shí)，Tc應(yīng)取為0)，MN；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(計(jì)算選用HRB400級(jí)鋼筋，fy取360 MPa)，MPa；As為鋼筋截面積，mm2/m；γd為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系數(shù)，按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5057-2009)表5.2.1取1.25。

3.2 配筋斷面選擇和配筋計(jì)算

根據(jù)第3節(jié)靜力和動(dòng)力有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，在持久狀況下，孔身段孔口頂板和底板的順河向應(yīng)力為壓應(yīng)力，可根據(jù)構(gòu)造要求進(jìn)行配筋，沖沙孔孔身段孔口頂板和底板的橫河向應(yīng)力及邊墻順河向和垂直向應(yīng)力均需進(jìn)行有限元應(yīng)力配筋計(jì)算。在偶然狀況下，沖沙孔孔身段孔口頂板的順河向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，可根據(jù)構(gòu)造要求進(jìn)行配筋，孔口頂板和底板的橫河向應(yīng)力、底板的順河向應(yīng)力及邊墻順河向和垂直向應(yīng)力均需進(jìn)行有限元配筋計(jì)算。表2～3分別表示在持久狀況、偶然工況下，沖沙孔孔身段配筋計(jì)算成果。

3.3 推薦配筋方案

比較某同類工程沖沙孔孔口尺寸4 m×5 m ，水頭64 m，而該電站沖沙孔孔口尺寸6 m×8 m，水頭49 m，考慮兩者工程規(guī)模壩址鄰近，以有限元應(yīng)力計(jì)算的靜力成果為基礎(chǔ)，動(dòng)力計(jì)算成果作參考，確定了該電站沖沙孔孔身段配筋方案。具體推薦配筋見表4、圖3。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)三維線彈性有限元法對(duì)沖沙底孔周邊混凝土結(jié)構(gòu)典型部位進(jìn)行應(yīng)力分析評(píng)價(jià)和動(dòng)力配筋設(shè)計(jì)，結(jié)果與其他已建工程配筋量分配情況基本一致。這對(duì)水電站孔口配筋設(shè)計(jì)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也為今后混凝土壩孔口的抗震設(shè)計(jì)提供了參考。