楊建東

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)01—0106—03

SAP2000在隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用

楊建東

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

以某工程引水隧洞混凝土襯砌斷面為例，運(yùn)用SAP2000程序軟件對其襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)工程實(shí)際驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果基本合理可信，可用于工程設(shè)計(jì)。

隧洞；襯砌；結(jié)構(gòu);SAP2000

1 工程概況

某水電站工程為引水式電站，設(shè)計(jì)引用流量14.45 m3/s，引水隧洞上平段采用圓形平底斷面，內(nèi)徑3.5 m，襯砌后底寬約2.45 m，如圖1所示。隧洞上平段巖體以Ⅳ類為主，局部Ⅴ類圍巖，巖體多處于強(qiáng)風(fēng)化帶或強(qiáng)全風(fēng)化過渡帶內(nèi)巖體，巖性為淺灰、淺灰綠色、雜色安山質(zhì)晶屑巖屑凝灰熔巖、變質(zhì)安山巖。

水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，到目前為止工程界也沒有找到最合理的計(jì)算方法，筆者用SAP2000軟件對該水電站引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析[1,2]。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

SAP2000軟件由美國CSI(Computers & Structures Inc.)研制開發(fā)，屬于結(jié)構(gòu)有限元通用分析軟件；在橋梁、大壩、工業(yè)結(jié)構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)等土木工程中廣泛使用。

2.1 計(jì)算模型及基本假定

(1) 在垂直水流方向切取單位寬度的橫剖面，按平面結(jié)構(gòu)計(jì)算；

(2) 不考慮溫度荷載；

圖1 引水洞混凝土襯砌斷面圖 單位：mm

(3) 配筋計(jì)算根據(jù)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，分別按承載力和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算；

(4) 建模過程中，將拱圈和底板均劃分為若干梁單元，節(jié)點(diǎn)位置沿徑向施加“縫單元”約束，縫單元可以模擬混凝土與基巖間的連接作用(僅受壓時(shí)起作用)。單元的剛度系數(shù)即為圍巖彈性抗力系數(shù)，本計(jì)算根據(jù)地質(zhì)報(bào)告建議值，取k0=1.5×105kN/m3。

結(jié)合上述基本假定及結(jié)構(gòu)布置情況，建立引水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 引水洞斷面模型簡圖

2.2 荷載及工況組合

2.2.1 荷 載

隧洞結(jié)構(gòu)所承受的荷載主要包括自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、圍巖壓力和灌漿壓力等[3]。

(1) 自重：結(jié)構(gòu)的自重，由程序自動(dòng)計(jì)算。

(2) 內(nèi)水壓力：包括靜水壓力和水錘壓力。根據(jù)引水洞布置，上平段正常運(yùn)行工況下設(shè)計(jì)水頭34.4 m，非常運(yùn)行工況下設(shè)計(jì)水頭38.6 m。

(3) 外水壓力：根據(jù)地下水位取值，水頭為42.3 m。

(4) 圍巖壓力：按照荷載規(guī)范取值，包括垂直壓力和水平壓力。

(5) 灌漿壓力：對混凝土襯砌段，回填灌漿壓力取0.3 MPa，灌漿范圍在頂拱中心角120°范圍內(nèi)。

荷載組合的確定，根據(jù)電站的運(yùn)行方式進(jìn)行了詳細(xì)地分析，包括了各種有可能出現(xiàn)的控制工況。

2.2.2 工況組合

(1) 工況組合及荷載分項(xiàng)系數(shù)如表1所示。

表1 工況組合及荷載分項(xiàng)系數(shù)表

(2) 其他參數(shù)取值如表2所示。

(3) 以正常運(yùn)行工況內(nèi)水壓力為例,荷載簡圖如圖3所示。

表2 相關(guān)參數(shù)列表

圖3 內(nèi)水壓力(正常運(yùn)行工況)圖 單位：kN/m

2.3 內(nèi)力及配筋計(jì)算

(1) 對結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)邊界條件，依托SAP2000程序計(jì)算出各工況的內(nèi)力，包括彎矩、軸力、剪力[4-6]。限于篇幅關(guān)系，僅給出工況2條件下，結(jié)構(gòu)計(jì)算所得的彎矩圖(圖4)。

圖4 工況2彎矩圖 單位：kN.m

(2) 取各桿件(頂拱和底板)最不利的內(nèi)力組合進(jìn)行配筋計(jì)算及裂縫寬度驗(yàn)算。按規(guī)范要求，最大裂縫寬度允許值為： [w]=0.35 mm。配筋計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 配筋計(jì)算結(jié)果列表

3 結(jié) 語

(1) SAP2000具有集成化、高效率、建模方便等特點(diǎn)， 用于水工隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的分析，可以降低設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)量。

(2) SAP2000程序中縫單元的應(yīng)用，模擬了圍巖與混凝土之間的連接約束情況，為結(jié)構(gòu)分析提供了較好的解決方案，能夠反映混凝土襯砌與圍巖的相互作用。計(jì)算結(jié)果經(jīng)ANSYS等類似有限元設(shè)計(jì)軟件驗(yàn)證，是合理可信的，能夠應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。

[1] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社,2006.

[2] 彭俊生,羅永坤.結(jié)構(gòu)概念分析與SAP2000應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2005.

[3] DL5077-1997，水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，1997.

[4] DL/T5057-2009，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[5] DL/T5195-2004，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2004.

[6] DL5073-2000，水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2000.

[7] 李光順.圓形有壓隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的比較[J].西北水電，2010，(5)：71-73.

[8] 楊靜安，楊鑫平.導(dǎo)流隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算分析研究[J].西北水電，2012，(3)：62-66.

《西北水電》征文啟事

《西北水電》雜志系中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司主辦的技術(shù)性期刊，1982年創(chuàng)刊，國內(nèi)外公開發(fā)行，以推動(dòng)我國水利水電科技進(jìn)步為宗旨。本刊為雙月刊，全年6期，每期在2、4、6、8、10、12月末出版，刊號GN61-1260/TV，標(biāo)準(zhǔn)為大16開。《西北水電》雜志為陜西省優(yōu)秀科技期刊。歡迎大家踴躍投稿。

1 征文內(nèi)容

(1) 有關(guān)水力資源普查和合理開發(fā)，水電綜合利用效益，水電投資經(jīng)濟(jì)效果，季節(jié)性電能的利用，以及國內(nèi)外如何加快水電建設(shè)等方面的經(jīng)驗(yàn)和研究論文。

(2) 有關(guān)動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算理論，水能利用規(guī)劃最優(yōu)化設(shè)計(jì)，裝機(jī)容量選擇，水庫合理調(diào)度和水電站(群)聯(lián)合運(yùn)行最優(yōu)化調(diào)度，以及水文水利計(jì)算，水庫泥沙淤積規(guī)律、觀測技術(shù)、減淤、排淤措施等方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和研究論文等。

(3) 有關(guān)水電站工程地質(zhì)勘察、鉆探、物探和測繪新技術(shù)的研究應(yīng)用，水工地下建筑物巖體力學(xué)和設(shè)計(jì)理論、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，以及復(fù)雜地基的防滲和加固處理等方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和研究論文。

(4) 有關(guān)混凝土高壩應(yīng)力計(jì)算和穩(wěn)定分析，高土石壩強(qiáng)度變形特性、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算和滲流控制，泄水建筑物高速水流，引水系統(tǒng)不恒定流問題，新壩型選擇，大壩和水工建筑的抗震和大壩原形觀測，水工建筑物破壞和修補(bǔ)，水庫誘發(fā)地震和滑坡，高邊坡治理等方面的經(jīng)驗(yàn)和研究論文。

(5) 有關(guān)水電站快速施工，施工導(dǎo)流、施工總平面、總進(jìn)度、施工技術(shù)，混凝土溫控和防止發(fā)生裂縫的措施，總概算、附屬企業(yè)工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和論文。

(6) 有關(guān)大型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)原則和新技術(shù)，大型水電站安裝運(yùn)行管理，水輪機(jī)振動(dòng)與氣蝕機(jī)理，水輪機(jī)泥沙磨損、抗氣蝕試驗(yàn)，高壓閘門、岔管和高壓鋼管等關(guān)鍵技術(shù)，水電站自動(dòng)化、遠(yuǎn)動(dòng)化以及將要興建的大型水電站機(jī)電方面關(guān)鍵技術(shù)問題的科研成果等。

(7) 有關(guān)電子計(jì)算機(jī)、有限元法、系統(tǒng)工程學(xué)等新技術(shù)在水電站勘測、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理中的應(yīng)用，新理論的探討，對執(zhí)行規(guī)程規(guī)范中碰到的問題的意見，大型水電站單頂工程的情況介紹及大型水電站的圖片等。

(8) 有關(guān)工程監(jiān)理在施工中所起的作用、取得的經(jīng)驗(yàn)，以及工程進(jìn)度的質(zhì)量控制等。

(9) 有關(guān)國外水電站建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)、新技術(shù)引進(jìn)、專題評述文章及有價(jià)值的譯文等。

(10) 有關(guān)勘測、設(shè)計(jì)、科研工作的管理經(jīng)驗(yàn)等。

2 聯(lián)系地址、單位

地址：陜西省西安市電子工業(yè)園區(qū)丈八東路18號

郵編：710065 單位：中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司《西北水電》編輯部

投稿信箱：xbsd@nwh.cn 電話：(029)88280709,62310709 (029)88280712,62310712

聯(lián)系人：王 燕 姜東琳 魏娟莉

Application of SAP2000 in Calculation of Tunnel Lining Structure

YANG Jian-dong

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

With the case of the concrete lining section of the one headrace tunnel, SAP2000 is applied to calculate and analyze the lining structure. The engineering practice proves that the calculation results are reasonable and reliable, and can be applied for the project design.

tunnel; lining; structure; SAP2000

2014-07-08

楊建東(1980- )，男，重慶市人，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

TV213.4

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.028