基于有限元的泵站結構分析研究

梁景奇

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707)

0 引 言

目前，我國泵站結構設計方法主要是采用規范計算法，將泵站結構拆分成無數個獨立的構件進行計算，沒有考慮各構件之間的相互作用，也無法表達泵站結構的空間受力變形情況。而有限元計算法[1-2]能夠解決較為復雜的空間結構力學問題，能夠合理定義泵站各構件之間的接觸作用及與地基之間的接觸作用，較為準確反映泵站整體結構受力分布的真實情況。為此，考慮泵站與地基、泵站各構件之間的相互作用，將泵站底板、墩柱、電機梁、水泵梁等與地基作為一個整體計算，利用ABAQUS有限元軟件，建立三維空間有限元模型，對泵站結構的應力及位移進行分析研究具有重要意義。

1 工程實例

1.1 工程概況和參數

本次引水泵站為中型泵站，工程等別為Ⅲ，配6臺軸流泵，主要作用為引水灌溉。泵站為鋼筋混凝土結構，泵站底板厚1.0m，底板寬9.6m，長22.6m。機泵房分為水泵層、軸承層和電機層，總高18.2m。本次復核計算的材料強度值，選取原設計強度等級與檢測結果中的較小值，作為材料計算參數，見表1。

表1 土層或泵站結構材料參數表

1.2 計算工況和荷載

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2001)[3]、《水工建筑物抗震設計規范》(GB 51247-2018)[4]、《水工建筑物荷載設計規范》(SL 744-2016)[5]和《泵站設計規范》(GB 50265-2010)[6]，泵站需考慮地震影響。為此，本次復核計算工況為設計、校核和地震3種工況，計算荷載組合見表2。各種工況下，水位組合為上游水深均取8.9m，下游水位分別取4.9、2.2、4.9m。

表2 計算荷載組合表

注：本次自重包括：①底板、邊墩柱、中墩柱、縫墩柱、電機梁、水泵梁及上部廠房、泵內設備自重等。②揚壓力分為滲透壓力和浮托力兩部分，其中滲透壓力荷載由改進阻力計算。③地震荷載為地震慣性力和地震動水壓力，其中地震慣性力采用擬靜法計算。

1.3 計算模型

根據泵站地基地質條件，本次采用線彈性有限元法分析，定義土體服從Mohr-Coulomb塑性模型，泵站各構件混凝土服從用線彈性體材料模型，土體自身變形基本完成，不再計入應變。在土基與泵站底板之間的接觸問題時，采用單純主從接觸法，定義泵站底板為主控接觸面，地基土體為從屬接觸面，按照一定的原則進行接觸的定義。具體要求是：從面的網格劃分應比主面精細；在遇到主面與從面網格相差不大時，主面應該使用材料剛度較大的面；對于有限滑移，在分析過程中從面節點一般最好落在主面的內部[7]。本次使用笛卡爾直角坐標系，X軸垂直水流指向左岸，Y軸垂直水流豎直向上，Z軸與水流方向相反。根據文獻【8】對試驗模型地基尺寸的要求，本次泵站模型地基在順水流方向取20.0m，垂直水流方向取35.0m，深度取10.0m。本次有限元模型網格剖分主要使用結構化網格剖分與掃掠網格剖分，采用C3D8R六面體減縮線性積分單元，能夠較精確反映閘室與地基的位移變化。有限元模型見圖1和圖2。

圖1 泵站和地基整體三維有限元模型

圖2 泵站三維有限元模型圖

2 計算結果分析

2.1 位移計算結果分析

按照上述計算模型和參數，對泵站結構的設計、校核、地震3種工況進行空間有限元計算。求解出泵站結構在荷載作用下相應工況的位移，具體計算的各工況下泵站沉降位移(Y軸反方向)分布情況見圖3-圖5；泵站順水流方向(Z軸反方向)分布情況見圖6-圖8。

圖3 設計工況豎向位移云圖(單位：cm)

圖4 校核工況豎向位移云圖(單位：cm)

圖5 地震工況豎向位移云圖(單位：cm)

圖6 設計工況水平位移云圖(單位：cm)

由計算結果的位移云圖可知，泵站整體結構豎向位移(沉降)計算成果見表3，泵站整體結構水平位移(順水流方向)計算成果見表4。

圖7 校核工況水平位移云圖(單位：cm)

圖8 地震工況水平位移云圖(單位：cm)

表3 泵站整體結構沉降位移(Y軸反方向)計算成果表

表4 泵站整體結構順水流方向(Z軸反方向)計算成果表

由表3和圖3-圖5可知，泵站整體結構最大沉降位移發生在地震工況下的縫墩處，沿豎直方向整個結構發生向下的位移，最大沉降量為60.5mm，最大沉降差為30.2mm。根據規范[6，9]，地基最大沉降量不宜超過150mm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過50.0mm，故泵站地基沉降滿足要求。

由表4和圖6-圖8可知，設計、校核、地震等3種工況荷載作用下，泵站整體結構在水平方向的位移較小。泵站順水流向水平位移的最大值發生在校核工況下的墩部，沿順水流方向從上游向下游發生位移，最大值為12.7mm。

2.2 應力計算結果分析

根據計算結果應力云圖進行分析，具體計算各工況下泵站整體結構的第一主應力分布情況見圖9-圖11；第三主應力分布情況見圖12-圖14。

圖9 設計工況第一主應力云圖(單位：Pa)

圖10 校核工況第一主應力云圖(單位：Pa)

圖11 地震工況第一主應力云圖(單位：Pa)

圖12 設計工況第三主應力云圖(單位：Pa)

圖13 校核工況第三主應力云圖(單位：Pa)

圖14 地震工況第三主應力云圖(單位：Pa)

由計算結果的應力云圖可得，泵站各部位出現了較大的拉應力和壓應力，其中泵站結構最大拉應力計算成果見表5；最大壓應力計算成果見表6。

表5 泵站結構最大拉應力計算成果表

表6 泵站結構最大壓應力計算成果表

由表5、表6和圖9-圖14可知，在各工況下，泵站底板的最大拉應力值為0.81MPa，主要分布在上游底板面層附近；泵站底板的最大壓應力值為1.90MPa，主要分布在底板下游段底層附近。邊墩柱的最大拉應力值為1.90MPa，主要分布在邊墩柱與底板連接處；邊墩柱的最大壓應力值為3.10MPa，主要分布在邊墩柱面層附近。中墩柱的最大拉應力值為1.70MPa，主要分布在中墩柱與底板連接處；最大壓應力值為2.58MPa，主要分布在中墩柱面層附近。縫墩柱的最大拉應力值為1.86MPa，主要分布在縫墩柱與底板連接處；最大壓應力值為2.84MPa，主要分布在縫墩柱面層附近。電機梁的最大拉應力值為1.70MPa，主要分布在中間底層附近；最大壓應力值為2.58MPa，主要分布在中部面層附近。水泵梁的最大拉應力值為1.86MP，主要分布在中間底層附近；最大壓應力值為3.00MPa，主要分布在中部面層附近。

上述分析結果表明，在設計、校核、地震等3種工況條件下，泵站邊墩柱、中墩柱、縫墩柱、水泵梁、電機梁等結構的最大拉應力在各工況下均超過混凝土的允許拉應力[10]，混凝土抗拉強度不滿足規范要求；而最大壓應力均未超過混凝土的允許壓應力[10]，混凝土抗壓強度滿足規范要求。

2.3 泵站結構承載能力分析

根據泵站結構最大拉應力分析成果，利用材料力學彎曲正應力計算公式[11]，求得泵站各結構橫截面的最大彎矩值Mmax，與按照《水工混凝土結構設計規范》(DL/T 5057-2009)[12]求得的各結構允許承受的彎矩值M允許進行對比，若結構所受的最大彎矩值小于允許承受的彎矩值，說明泵站結構是安全可靠的；反之，則表明泵站結構不安全，易發生破壞，需要采取加固措施。泵站結構承載能力計算成果見表7。

表7 泵站結構承載能力計算成果表

3 結 論

1)應用ABAQUS軟件，將泵站和地基作為整體建立三維有限元模型，通過對設計、校核、地震等3種工況下泵站結構的位移和應力分布狀態進行模擬。結果表明，三維仿真模型能夠較好地反映結構的位移和應力的變化趨勢，與工程實際情況較為符合，可為類似工程結構分析提供參考。

2)通過泵站結構的位移和應力分析結果可知，不同工況下的泵站結構位移變化情況滿足規范要求，混凝土抗壓強度未超過規范允許值，但有些部位的混凝土抗拉強度超出規范允許值。

3)通過對泵站結構進行承載能力復核，表明該泵站的實際承載能力滿足要求，泵站穩定性和安全性較高。