廠房擋水結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析

王志瓏

（中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院，北京市 100024）

廠房擋水結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析

王志瓏

（中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院，北京市 100024）

高尾水以及施工期高降雨量是額勒賽上電站廠房的兩大特點，廠房擋水結(jié)構(gòu)設(shè)計也就成為設(shè)計中的難點問題。本文以廠房尾水閘墩及邊墻結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，詳細(xì)闡述了它們在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采取的措施以及有限元分析計算過程，為今后類似工程提供了參考。

高尾水；高降雨量；尾水閘墩；邊墻；有限元

0 引言

額勒賽上電站位于柬埔寨王國西部戈公省，廠房位于壩址沿河下游約4.6km處左岸，布置岸邊地面式廠房。額勒賽上電站按200年一遇洪水設(shè)計，500年一遇洪水校核。廠房建基面高程為90.8m，廠址設(shè)計洪水位為118.57m高程，廠址校核洪水位為119.61m高程，即在校核洪水位情況下，尾水水頭達(dá)28.81m，相當(dāng)于中小型擋水壩承受的水頭，高尾水是該電站廠房的一個重要特點。另外柬埔寨雨季雨量較大，施工期在主機(jī)間各層樓板未澆筑的情況下，考慮到外水繞滲，邊墻要承受較大水壓力，這是該電站廠房設(shè)計的又一特點。因此，廠房邊墻及尾水閘墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。

1 尾水閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對廠房高尾水的特點，在尾水閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采取了一些措施。首先把尾水副廠房消防水泵房120cm厚板頂板作為尾水閘墩的支撐結(jié)構(gòu)之一，可以把部分尾水壓力傳遞給蝸殼外包大體積混凝土。其次，尾水閘墩設(shè)計時不再簡化為平面問題，而是采用有限元Ansys軟件對其進(jìn)行三維模擬計算分析。

1.1 計算模型

根據(jù)廠房布置情況，廠房內(nèi)安裝兩臺機(jī)組，采用一機(jī)一縫結(jié)構(gòu)型式，1號機(jī)組、2號機(jī)組之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，取2號機(jī)組段尾水擋墻進(jìn)行三維有限元分析。尾水擋墻100.05m高程以下與大體積混凝土相連，所以計算范圍取100.05m高程以上擋墻、邊墩以及中墩整體為對象建立模型。計算模型的總體坐標(biāo)系取Z軸為垂直豎向，以100.05m高程處為原點，向上為正。Y軸方向為廠下→廠上，X軸為廠右→廠左，模型詳見圖1。

1.2 計算理論與方法

本次計算通過Ansys軟件采用整體建模求解應(yīng)力，再根據(jù)應(yīng)力的分布規(guī)律取尾水擋墻和閘墩的典型斷面作為配筋控制斷面。對典型截面采用指定單元路徑的方法再經(jīng)過線性化處理后便可得到線性化的應(yīng)力圖形，既而進(jìn)行截面內(nèi)力計算。

根據(jù)有限元計算的應(yīng)力成果，將計算應(yīng)力分布圖先擬和為直線分布，根據(jù)擬和直線應(yīng)力分布圖求軸力和彎矩。其公式如下：

圖1 尾水擋墻三維計算網(wǎng)格剖分圖Fig.1 Three-dimensional calculation grid of tail gate pier

當(dāng)應(yīng)力圖形線性分布時，有下列公式成立：

式中：σmax、σmin——分別為截面最大、最小應(yīng)力，可以由截面應(yīng)力圖上查到；

N——截面所受軸力，kN；

M——截面所受彎矩，kN·m；

A——截面面積，m2；

W——截面抗彎模量。

根據(jù)式（1）、式（2），可以求出截面內(nèi)力N、M，

公式如下：

1.3 計算荷載及計算工況

作用在尾水擋墻上的荷載主要有尾水平臺活荷載、擋墻自重、尾水副廠房樓板自重以及作用在尾水副廠房各層上的活荷載、下游靜水壓力作用和揚壓力作用。其中，尾水平臺活荷載主要為閘墩頂部尾水閘門起吊及檢修的荷載以及平臺上考慮車輛通行活荷載。尾水閘墩上游側(cè)為尾水副廠房，尾水副廠房各層樓板均簡支在尾水閘墩上游側(cè)牛腿上，所以尾水副廠房各層樓板自重及活荷載以線荷載形式作用在尾水閘墩上游側(cè)牛腿上。

本計算考慮三種計算工況，分別為尾水設(shè)計洪水位工況（基本組合）、尾水校核洪水位工況（偶然組合）、尾水設(shè)計洪水位工況（長期組合，裂縫寬度驗算）。

1.4 應(yīng)力計算

本計算分別對三種工況下閘墩X向（水平向）及Z向（豎直向）進(jìn)行應(yīng)力計算。以尾水設(shè)計洪水位工況（基本組合）Z向應(yīng)力計算為例，計算結(jié)果如下（見圖2）：

圖2 尾水設(shè)計洪水位工況整體Z向（豎直）應(yīng)力分布云圖（kPa）Fig.2 Stress distribution pattern at z-direction of tail gate pier

根據(jù)圖2可知，閘墩的Z向應(yīng)力在底部的下游側(cè)最大，呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，上游側(cè)尾水擋墻基本為受壓狀態(tài)。按應(yīng)力的分布情況，分別截取EL100.05m、EL105.45m、EL109.65m，3個截面的應(yīng)力云圖，并分別選取4條路徑進(jìn)行應(yīng)力分析，即Line1、Line2、Line3、Line4，根據(jù)所得應(yīng)力值通過式（3）、式（4）求得內(nèi)力值，最終根據(jù)內(nèi)力值進(jìn)行配筋計算。

1.5 計算結(jié)果

通過Z向（豎直）應(yīng)力分布云圖（見圖3）可知，閘墩底部下游側(cè)（墩頭處）拉應(yīng)力最大，隨高程升高拉應(yīng)力逐漸減小，最終成受壓狀態(tài)。閘墩上游側(cè)（擋墻處）從下至上均處于受壓狀態(tài)。因此下游側(cè)配筋為：EL105.45m以下采用雙排36@200鋼筋,EL105.45m以上采用單排36@200鋼筋；上游側(cè)配筋為：EL105.45m以下采用28@200鋼筋,EL105.45m以上采用25@200鋼筋。

圖3 高程100.05m截面Z向（豎直）應(yīng)力分布圖（kPa）Fig.3 Stress distribution pattern at z-direction of EL.100.05 section

2 廠房邊墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

柬埔寨雨季雨量較大，在廠房基坑開挖期間兩次被洪水淹沒，圍堰被沖毀，若施工期在主機(jī)間各層樓板未澆筑的情況下，考慮到外水繞滲，邊墻承受較大水壓力，結(jié)構(gòu)設(shè)計上難度較大。設(shè)計中主要采取了以下措施：

（1）主機(jī)間上游側(cè)主變壓器開關(guān)樓底板與主機(jī)間上游墻一同澆筑，這樣可以對主機(jī)間上游墻有一定的拉結(jié)作用，解決了施工期墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計難題。

（2）邊墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用軟件SAP2000對其進(jìn)行有限元分析計算，不再簡化成簡單的懸臂桿件，對墻體進(jìn)行整體計算，考慮墻體左右兩端的約束作用。

主機(jī)間邊墻結(jié)構(gòu)設(shè)計包活上游墻及左右邊墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。主機(jī)間上游墻墻體底部與蝸殼層底板相連，在計算中取單位寬度簡化為“L”形結(jié)構(gòu)，在施工期各層樓板尚未澆筑，上游墻高度較高且無側(cè)向支撐，根據(jù)實際情況，在計算中考慮主變壓器開關(guān)樓底板對墻體的拉結(jié)作用，計算模型較為簡單，本文不再詳細(xì)說明，重點介紹左右邊墻結(jié)構(gòu)計算。

2.1 計算模型

左右邊墻與上游墻相比跨度較小，利用SAP 2000中厚殼單元整體建模計算，右端墻上下游方向長25.5m（范圍：Sta.U0+012.000～Sta.D0+013.500），高度21.95m（范圍：EL.98.05m～EL.120.00m）；左端墻上下游方向長25.5m（范圍：Sta.U0+012.000～Sta.D0+013.500），高度11.60m（范圍：EL.98.05m～EL.109.65m）。模型底部邊界條件采用固端約束。詳見圖4、圖5。

圖4 右端墻計算模型Fig.4 Calculation model of righ sidewall

圖5 左端墻計算模型Fig.5 Calculation model of left sidewall

2.2 計算理論與方法

左右邊墻計算利用SAP2000中厚殼單元整體建模計算，模型中上下游側(cè)及底部邊界條件采用固端約束，但考慮到上下游側(cè)的實際約束情況并沒有固端那么強，因此，需要對模型計算結(jié)果中的彎矩進(jìn)行調(diào)幅，并最終利用調(diào)幅后的結(jié)果計算配筋。

2.3 計算荷載及計算工況

在持久工況下，主機(jī)間各層樓板已澆筑，樓板對墻體有側(cè)向支撐作用，墻體所受彎矩大大減小，持久工況不是控制工況，因此本文只考慮在施工期樓板未澆筑情況下遇50年一遇洪水位工況（短暫工況基本組合）。

計算荷載主要為50年一遇洪水位（P=2%，▽116.3m）對應(yīng)的靜水壓力，對應(yīng)模型底部高程▽98.05m處的水頭為18.25m。

2.4 內(nèi)力計算

計算采用有限元設(shè)計軟件SAP2000，采用厚殼單元建立模型后施加靜水壓力荷載，最終得到彎矩圖及軸力圖（見圖6、圖7）。本計算分別對左右端墻X向（水平向）及Z向（豎直向）進(jìn)行內(nèi)力計算。以右端墻Z向內(nèi)力計算為例，計算結(jié)果如下：

圖6 右端墻Z向彎矩圖Fig.6 Z-direction bending moment diagram of righ sidewall

圖7 右端墻Z向軸力圖Fig.7 Z-direction axial force diagram of left sidewall

2.5 計算結(jié)果

根據(jù)彎矩分布云圖分別選取墻體內(nèi)側(cè)及外側(cè)（臨水側(cè)）彎矩最大截面進(jìn)行配筋計算，以右端墻為例，由圖6、圖7可知墻外側(cè)底部紅色區(qū)域彎矩最大，經(jīng)配筋計算選配32@200鋼筋，墻內(nèi)側(cè)藍(lán)色區(qū)域彎矩最大，選配32@200鋼筋。

3 結(jié)束語

高尾水以及施工期高降雨量是額勒賽上電站廠房的兩大特點，同時也是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的兩大難點。針對上述問題，首先在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面通過采取一些有效措施，例如尾水副廠房消防水泵房設(shè)置120cm厚板作為尾水閘墩的支撐結(jié)構(gòu)以及主變壓器開關(guān)樓底板對主機(jī)間上游墻的拉結(jié)作用等。其次，采用三維有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模計算，提高了設(shè)計精度及準(zhǔn)確度。希望本文能夠給今后類似工程提供參考，特別在一些高降水量地區(qū)，施工期各層樓板未澆筑的情況下廠房邊墻的結(jié)構(gòu)安全應(yīng)值得重視。

［1］付強，曹璽.淺議抽水蓄能電站基建期地下廠房安全通道設(shè)置［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（3）：7-11.FU Qiang,CAO Xi.The Underground Powerhouse of Infrastructure Securituy Channel is Arranged on the Pumping Energy Storage［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(3):7-11.

［2］夏智翼，胡云鶴.某抽水蓄能電站水毀面板修復(fù)灌漿施工［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（3）：12-14.XIA Zhiyi,HU Yunhe.Repair Grouting Construction for Damaged Panel of Pumped Storage Power Station［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(3):12-14.

王志瓏，（1986—），男，工程師，碩士，主要研究方向：水電站廠房設(shè)計。E-mail:wangzl@bhidi.com

Structural Design and Finite Element Analysis of Powerhouse Retaining Structure

Wang Zhilong
(Hydrochina Beijing Engineering Corporation,Beijing 100024, China)

High tail water and high rainfall in construction period are two features of Lower Stung Russei Chrum Hydropower Project-Upper Station.Structural design of powerhouse retaining structure has become the difficult problem in design.Taking structural design of tail gate pier and sidewall as the case, this article describes the measures taken in structural design and the process of finite element analysis, which supplies a reference for similar project.

high tail water; high rainfall; tail gate pier; sidewall; finite element

TV314

A 學(xué)科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.015