流固耦合有限元分析在澇洲泵站流道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙乙軻，孫忠園

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

在水工建筑物中，非桿非殼大體積的混凝土結(jié)構(gòu)常用在泵站電站的流道、蝸殼、尾水管設(shè)計(jì)中。這些大體積結(jié)構(gòu)都包含有不規(guī)則的流道曲線，其中承載的流體又帶來較復(fù)雜的邊界條件，無法視之為傳統(tǒng)的桿系殼系構(gòu)件進(jìn)行受力分析，進(jìn)而對(duì)總體方案的設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)配筋的計(jì)算帶來了不少困擾。隨著有限元數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜曲面可以離散化，流固耦合可以用軟件模擬，大體積不規(guī)則混凝土可以進(jìn)行應(yīng)力分析，并使用彈性應(yīng)力配筋法完成配筋設(shè)計(jì)。

1 工程介紹

澇洲灌溉站位于松花江拉林河口至哈爾濱江段CS 松20 斷面到CS 松26 斷面之間，松花江左岸。屬于澇洲大型泵站更新改造工程中的核心泵站。泵站布置圖如圖1 所示。

主廠房位于進(jìn)水口下游側(cè)，泵房下部為混凝土箱型結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)為39.42m，寬度為13.2m，上部結(jié)構(gòu)為鉸接混凝土排架結(jié)構(gòu)，墻體采用承重磚砌體，凈高9.56m。泵房由上至下共分五層，分別是安裝間層、電機(jī)層、出水流道層、水泵層及進(jìn)水流道層。

其中水泵層高程為112.0m，布置有6 臺(tái)1400HD－9 立式導(dǎo)葉混流泵，其中1 臺(tái)為備用機(jī)組，機(jī)組間距為6m，水泵基礎(chǔ)位于114.0m，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用開敞式機(jī)墩。水泵出水管—虹吸駝峰式混凝土出水流道為本論文的計(jì)算分析對(duì)象。

圖1 廠房主機(jī)間縱剖面布置圖

2 模型建立

2.1 軟件選擇

當(dāng)今可以進(jìn)行流固耦合分析的有限元軟件很多，比如ANSYS，ADINA，ABAQUS，還有通過調(diào)用專門流體分析軟件FLUENT 的流場(chǎng)結(jié)果，再采用上述軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的方法［1］。本文三維實(shí)體建模平臺(tái)采用了Autodesk 公司的AUTOCAD 以及Fusion，所以相應(yīng)的有限元分析軟件使用了Autodesk 的ALGOR。ALGOR 屬于老牌有限元分析軟件，在2009 年被Autodesk 收購(gòu)之后，與其參數(shù)化建模軟件(如Inventor)無縫集成，可以反復(fù)修改設(shè)計(jì)參數(shù)并隨時(shí)導(dǎo)入分析。在工程應(yīng)用方面，ALGOR 比上述其它軟件更容易上手，對(duì)于不規(guī)則實(shí)體模型的容錯(cuò)率也相對(duì)較高。

2.2 模型及計(jì)算條件

本文采用軟件模擬在最危險(xiǎn)工況下，水流通過自身具有的動(dòng)能和壓能對(duì)流道外包混凝土邊壁產(chǎn)生作用，此時(shí)針對(duì)混凝土流道以及整體支撐進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。在模擬過程中，對(duì)兩種方案進(jìn)行了建模:①外包混凝土流道底部不設(shè)支撐;②外包混凝土底部設(shè)一道混凝土墻做為底部支承。具體形式見圖2、圖3。

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)資料，流道內(nèi)最大流量為8m3/s;考慮到工作人員的誤操作情況以及起機(jī)時(shí)拱頂可能產(chǎn)生2－3Mpa 的大氣壓強(qiáng);真空破壞閥室的均布荷載10KN/m2以及混凝土的自重。

有限元模型如圖所示。模型寬度為一個(gè)機(jī)組段。模型與模擬范圍之外的墻體接觸采用固定約束。

圖2 方案1 網(wǎng)格模型

圖3 方案2 網(wǎng)格模型

模擬材料參數(shù)取值見表1。

表1 材料參數(shù)

3 模型計(jì)算與結(jié)果分析

1)流場(chǎng)由于兩個(gè)方案的流道尺寸一樣，所以流場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)是一樣的。流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖4 所示。本文的關(guān)注要點(diǎn)在于混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變，流場(chǎng)結(jié)果只是必要的中間數(shù)據(jù)。

2)位移變形分析:模型的總位移云圖如圖5、圖6 所示。

通過云圖分布以及相應(yīng)的數(shù)值可以清楚地看到，由于流道內(nèi)頂拱處的負(fù)壓，流道外包混凝土對(duì)下層板梁的作用，2 個(gè)方案都在駝峰頂拱以及流道下層板梁處產(chǎn)生了相對(duì)較大的位移。方案1 的最大位移出現(xiàn)在下層板梁的跨中，為0.1mm。方案2 的最大位移出現(xiàn)在流道頂拱，為0.07mm。

圖4 流速場(chǎng)結(jié)果

3)模型的von mises 等效應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

通過應(yīng)力云圖的分布和數(shù)值可以清楚的看到，由于兩道豎墻對(duì)流道外包混凝土的支座約束作用，較大的應(yīng)力產(chǎn)生在流道外包混凝土與墻體的交接處。除此之外，方案1 的下層板梁跨中出現(xiàn)了較大的應(yīng)力。流道出口側(cè)下部的腋角混凝土作為流道外包混凝土與墻體的擴(kuò)大支座與傳力路徑，承受了相對(duì)較大的壓應(yīng)力。

圖5 方案1 混凝土變形位移云圖

圖6 方案2 混凝土變形位移云圖

圖7 方案1 混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖8 方案2 混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

獲取兩個(gè)方案同一位置節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。

表2 應(yīng)力對(duì)比

通過具體數(shù)據(jù)與圖形的對(duì)比可以找到方案2 中應(yīng)力明顯被減小的部位，而方案1 中梁底的較大應(yīng)力，在方案2 中則不存在這種情況。

4)綜合結(jié)論:流道外包混凝土自身在空間上構(gòu)成穩(wěn)定三角形，所以底部支撐墻對(duì)于流道的變形和應(yīng)力影響不大。關(guān)鍵在于流道外包混凝土向下傳遞荷載的過程中，對(duì)下層板梁產(chǎn)生了負(fù)擔(dān)。雖然下層腋角混凝土承擔(dān)了荷載并增大了傳力截面，但如果不設(shè)置支撐墻，下層板梁跨中底部還會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的應(yīng)力?？梢缘贸鼋Y(jié)論，流道外包混凝土下部設(shè)置支撐墻體是必要以及合理的。

4 彈性應(yīng)力配筋法

通過有限元軟件對(duì)模型的應(yīng)力分析，可以得到不規(guī)則大體積混凝土任何一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)以往是無法通過手算得到的。根據(jù)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的大小和分布，可以對(duì)混凝土的配筋進(jìn)行計(jì)算。

圖7 方案1 配筋截面

《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］中對(duì)于非桿件體系的混凝土配筋進(jìn)行了原則說明:計(jì)算出結(jié)構(gòu)在彈性階段的截面應(yīng)力圖形，并按彈性主拉應(yīng)力圖形配筋時(shí)，對(duì)于應(yīng)力圖形偏離線性較大時(shí)，可按主拉應(yīng)力在配筋方向的投影圖形總面積計(jì)算鋼筋截面積As，并應(yīng)符合下式要求:

式中:K 為承載力安全系數(shù);fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2;T 為由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計(jì)值，N，T=ωb;ω 為截面主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積扣除其中拉應(yīng)力值小于0.45 ft后的圖形面積，N/mm，但扣除部分不宜超過總面積的30%。ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2;b 為結(jié)構(gòu)截面寬度，mm。

當(dāng)彈性應(yīng)力圖形的受拉區(qū)高度大于結(jié)構(gòu)截面高度的2/3 時(shí)，應(yīng)按彈性主應(yīng)力在配筋方向的投影圖形的全面積計(jì)算受拉鋼筋截面積。

采用設(shè)計(jì)規(guī)范中的方法，本文對(duì)方案1 流道外包混凝土拱頂處的環(huán)向鋼筋進(jìn)行了計(jì)算。首先對(duì)計(jì)算截面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了選取，通過軟件可以比較方便地查詢到節(jié)點(diǎn)在配筋方向(坐標(biāo)Y 方向)最大主應(yīng)力的投影分量。沿截面路徑得到節(jié)點(diǎn)在Y 方向的最大主應(yīng)力分量面積如圖7 所示:

圖8 最大主應(yīng)力Y 向投影面積

根據(jù)圖形求得面積ω =188 321 N/m，取單寬1m，T=188321N。

As=188321×1.2/300=753mm2，可配φ16 間距250mm 的鋼筋。根據(jù)規(guī)范7.2.2 條進(jìn)行抗裂驗(yàn)算，滿足規(guī)范要求。根據(jù)混凝土受力鋼筋的最小配筋率，采用φ20 間距250 mm。

5 總 結(jié)

現(xiàn)有的有限元計(jì)算軟件已經(jīng)可以完成從流體模擬到結(jié)構(gòu)受力一系列的流固耦合分析計(jì)算。能夠求解大體積混凝土在復(fù)雜流道水流作用下，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的大小與分布，找到最不利的危險(xiǎn)點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的配筋和抗裂計(jì)算。這對(duì)于整體結(jié)構(gòu)形式的布置，構(gòu)件斷面的擬定都是有一定指導(dǎo)和參考意義的。如今使用軟件進(jìn)行三維應(yīng)力配筋已經(jīng)非常普遍。已有設(shè)計(jì)院對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)做出了更加智能的設(shè)計(jì)界面，大大提高了設(shè)計(jì)效率。但對(duì)于有限元軟件計(jì)算的結(jié)果，還是需要通過經(jīng)驗(yàn)和常規(guī)手算去復(fù)核，與已建工程的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

［1］周天情.充流管道的流固耦合計(jì)算方法研究［D］.杭州:浙江大學(xué)能源工程學(xué)系，2011.

［2］中華人民共和國(guó)水利部.SL—191—2008 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.