抽水蓄能電站進水塔混凝土排架結構尺寸優化設計

李元浪

(吉安市水利水電規劃設計院，江西 吉安 343000)

1 工程背景

某水電站輸水發電系統進水塔位于水庫大壩上游靠近右岸的部位，設計為岸塔式結構，其基建面高程為685 m，塔頂高程為740.5 m，排架頂高程為764.3 m，總塔高為79.3 m。進水塔由底部的塔體和上部排架兩大部分構成，上部排架高度為24.3 m，其排架柱截面為1.2 m×1.2 m，橫梁尺寸為1.5 m×1.2 m；排架的頂層厚度為0.2 m。按照原施工設計，進水塔的塔體和排架均采用C30混凝土。相對于下部結構，進水塔的上部排架無論是結構質量還是結構剛度均較小，是地震應力作用下最容易遭受破壞的部分[4]。顯然，在排架結構遭受破壞的背景下，進水塔的正常運行乃至電站的整體安全都將受到嚴重威脅，因此其抗震結構設計就顯得尤為重要[5]。基于此，本次研究試圖通過數值模擬的方式，對地震作用下的混凝土排架H型截面型鋼結構設計方案進行優選研究，以期為工程設計提供一定的借鑒和參考。

2 有限元計算模型的構建

2.1 模型的構建

ANSYS有限元軟件是美國ANSYS公司推出的一款大型商用工程仿真設計軟件，具有多種分析功能，其在巖土力學以及結構分析等方面獲得廣泛的應用，同時也取得了良好的模擬研究效果。因此，本文利用ANSYS有限元軟件進行數值計算模型的構建[6]。

結合相關研究成果和工程實際，進水塔結構的整體模型范圍為基礎的上下游、左右岸以及深度各取1倍塔高。模型的計算邊界條件為：進水塔的上下游和左右側面按照施加豎向位移條件，模型的底部按照固定邊界條件處理，施加全位移約束，模型的上部為自由邊界條件。為了利于模型的構建，以進水塔的前期設計資料為依據，首先利用CAD軟件建立進水塔的整體幾何模型，然后在導入ANSYS有限元軟件進行數值計算模型的構建[7]。幾何模型以垂直于右岸指向左側的方向為X軸正方向，以垂直于X軸指向上游的方向為Y軸的正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。

進水塔的塔體采用六面體實體單元進行網格模型的劃分，上部的排架結構則采用梁單元進行模擬，啟閉機層以及排架的頂層利用殼單元進行模擬，研究中假定進水塔混凝土結構為在各向同性的均質彈性連續體[8]。整個模型共劃分為162 555個網格單元、150 010個計算節點，模型的示意圖見圖1。

2.2 荷載的施加

在進水塔結構計算過程中，計算荷載主要包括自重、水重、靜水壓力、揚壓力、浪壓力、風壓力以及地震作用[9]。其中，模型的地基視為無質量單元，混凝土結構的自重按照25.0 kN/m3的重度進行計算；根據進水塔的運行工況，在所有與水接觸的面上全部施加靜水壓力，水的重度取9.8 kN/m3；計算過程中對進水塔結構底面按照庫水位施加揚壓力；將浪壓力與進水塔的上游面靜水壓力疊加，施加到上游面；按照《水工建筑物荷載設計規范》(SL 744-2016)計算風壓力，并施加到進水塔水面以上的表面。

地震荷載包括地震慣性力和地震動水壓力。根據壩址區的地震資料，地震烈度為7度，主要水工建筑設計地震參數水平加速度為113.7 gal，超越概率為10%，特征周期為0.55 s。在施加過程中，需要同時計入水平和豎向地震作用。根據《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(NB 35047-2015)的規定，應該分別采用擬靜力法和振型分解反應譜法計算地震作用，并施加于計算模型。在進水塔的動水壓力分析中，僅考慮其慣性作用，而不考慮水體可壓縮性的影響。鑒于動水壓力與水深存在顯著關聯，因此需要結合水深數據編寫不同高程的動水壓力函數，并通過等效面力的方式施加于塔體表面。

2.3 計算方案

根據《型鋼混凝土組合的設計規范》(JGJ/T 138-2001)，其含鋼率一般在4%～10%范圍內。本次研究在模型排架柱中插入H型鋼的基礎上，分別設計5%、7%和9%共3種不同截面面積的H型鋼，其規格設計分別為HW498×432×45×70、HW800×816×42×42和HW800×800×48×64。對3種不同計算方案進行有限元模型的構建，并利用數值模擬計算的方式，進行正常蓄水位遭遇地震條件下的動力計算分析，以獲取最優的設計方案[10]。

3 計算結果與分析

3.1 位移計算結果與分析

在地震作用下，只有進水塔的整體結構不發生較大的位移變形，才能保證其穩定運行。鑒于進水塔上部排架的高度較大，不同高程的位移特征可能有所不同，因此研究中選擇排架圈梁的第四層，也就是進水塔頂層；圈梁的第三層，也就是啟閉機層以及塔體頂面和排架底面的相交處，也就是圈梁的第一層混凝土柱關鍵節點的位移最大值，對不同混凝土柱排架型鋼截面形式下的位移特征進行對比分析，且分析僅針對混凝土單元進行，不包括型鋼的應力。利用上節構建的有限元模型，對不同方案下的型鋼混凝土排架結構位移進行計算，并提取出各向位移的最大值，結果見表1和圖2。

表1 排架關鍵部位位移計算結果

由表1中的結果可知，在3種不同的計算方案下，進水塔的變形主要表現為剪切變形，從而使進水塔上部的排架結構以剛體平動為主，并具有比較顯著的鞭梢效應。隨著進水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈現出增大的趨勢。主要原因是上部排架結構會受到自重作用的顯著影響。另一方面，由于進水塔上部的排架結構在地震應力作用下會受到較大的水平荷載影響，因此X向位移和Y向位移明顯大于Z向位移。因此，需要利用內部型鋼的剛度對排架水平強度需求進行彌補。從不同含鋼量方案的計算結果來看，排架關鍵部位的位移量會隨著含鋼量的增加而減小，也就是含鋼量5%結構的位移量最大，含鋼量7%方案次之，含鋼量9%方案的位移量最小。由此可見，提高含鋼量對控制排架結構的位移有明顯作用。

為了進一步分析各向位移隨含鋼量的變化特征，對位移最明顯的圈梁第四層的計算結果進行整理，獲得圖2所示的各向位移隨含鋼量的變化曲線。由圖2可知，當含鋼量由5%增加至7%時，各向位移有明顯下降；而含鋼量由7%增加至9%時，下降幅度明顯減小。這說明在含鋼量7%的基礎上進一步增加含鋼量，控制位移的作用極為有限，但是工程成本會顯著增加。因此，從位移控制的視角來看，含鋼量應以7%為宜。

3.2 應力計算結果與分析

在地震作用下，排架結構的上部容易發生破壞，在圈梁第三層和第一層往往存在較大的應力分布。因此，研究中就選擇排架圈梁的第四層、圈梁的第三層和圈梁的第一層混凝土柱關鍵節點進行X向應力(Sx)、Y向應力(Sy)、Z向應力(Sz)、第一主應力(S1)以及第三主應力(S3)的對比分析。利用上節構建的模型對不同方案下的結構應力進行計算，結果見表2和圖3。由表2中的數據可以看出，隨著排架高程的不斷增加，各應力值呈現出不斷減小的趨勢。究其原因，主要是排架結構可視為懸臂梁，其剪力和彎矩往往會集中于結構的底部。同時，由于排架的混凝土柱和梁的連接部位拉應力較大，因此在后續的結構設計中應該加強該部位的配筋。從不同含鋼梁方案的對比來看，各向應力均隨著含鋼量的增加呈現出先減小后增加的特征，也就是5%含鋼量方案的應力水平最高，9%含鋼量方案次之，7%含鋼量方案的應力水平最低。因此，從應力計算結果來看，7%含鋼量方案為最佳方案。

表2 排架關鍵部位應力計算結果

圖3 應力云圖

3.3 工程經濟效益

原始工程設計中，主要側重于進水塔上部排架的抗震性能實現，對混凝土柱內部型鋼結構的設計偏于保守，選擇的是含鋼量9%的方案設計。按照具體的型鋼材料尺寸計算，其含鋼量略高于9%，為9.351%，此次優化設計的方案含鋼量為6.843%。顯然，兩種不同設計方案的工程成本主要是節省鋼材的成本。根據工程設計資料，排架結構共包括9個混凝土柱，其截面為1.2 m×1.2 m，高度為24.3 m。因此，優化設計方案節省鋼材的數量為1.2×1.2×24.3×9×(9.351%-6.843%)×7.85=62.00 t。按照2020年鋼材市場Q345B的平均價格，可節省的工程成本為62.00×4 255=263 810元，具有十分顯著的工程經濟效益。

4 結 論

本文以某抽水蓄能電站進水塔為例，利用數值模擬的方式對地震作用下進水塔上部混凝土排架H型鋼設計方案進行優選研究，主要結論如下：

1) 進水塔的變形主要表現為剪切變形，隨著進水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈現出增大的趨勢。

2) 從不同的設計方案位移對比結果來看，排架典型部位的位移量隨著含鋼量的增加而減小，但是在含鋼量7%的基礎上進一步增加含鋼量，控制位移的作用極為有限，而工程成本會顯著增加。

3) 從不同含鋼梁方案的對比來看，各向應力均隨著含鋼量的增加呈現出先減小后增加的特征，也就是5%含鋼量方案的應力水平最高，9%含鋼量方案次之，7%含鋼量方案的應力水平最低。

4) 結合計算成果和工程成本，7%含鋼量方案為最佳方案。