楊房溝拱壩集水井結構配筋研究

葉甜 馮研 戴永琪

摘要：筆者根據楊房溝水電站整體模型計算分析結果，得到拱壩10#壩段子模型切割邊界上的節(jié)點位移，將切割邊界上的節(jié)點位移作為約束條件加在子模型上，加上其他荷載共同計算子模型應力[1-3]。集水井及其附屬結構泵房、隔板位于拱壩10#壩段。根據泵房、隔板、集水井在靜力工況下的第一、第三主應力分布情況，采用應力圖形法計算得到承載能力極限狀態(tài)下集水井周邊混凝土單位厚度最大配筋量[4]，并擬定泵房、隔板、集水井的配筋方案。

關鍵詞：集水井;有限元分析;應力;配筋

中圖分類號：TV642.4+2;TU755.3;A715 ?文獻標識碼：B

1 ?工程概況

楊房溝水電站是我國首個以EPC模式建設的百萬千瓦級大型水電工程，為一等工程，工程規(guī)模為大（1）型。擋水建筑物采用拋物線型混凝土雙曲拱壩，最大壩高155 m，河床建基面高程1947 m，壩頂高程2102 m。拱壩內布置一個集水井，通過在拱壩內部預留空腔形成，因此，集水井周邊混凝土將產生應力集中現(xiàn)象，需配筋加以解決。

集水井底高程1948m，頂高程1954.4m，尺寸為11m×6m×6.4m（長×寬×高）;集水井上方是排水泵房，泵房底高程1955.15m，頂高程1962.2m，尺寸為11m×5.3m×7.05m（長×寬×高）。泵房與集水井之間設置一隔板，隔板厚度75cm。本文研究對象為集水井及其附屬結構泵房、隔板。

2 ?集水井配筋計算數(shù)值模擬

2.1 ?數(shù)值模型及巖土體參數(shù)取值

圖1為楊房溝水電站整體模型網格圖，圖2為拱壩10#壩段子模型網格圖（集水井位于該壩段底部，通過預留空腔形成）。首先對拱壩整體模型計算分析，得到拱壩10#壩段子模型切割邊界上的節(jié)點位移，將該節(jié)點位移作為約束條件加在子模型上，加上其他荷載共同計算10#壩段子模型應力。整體模型中，地基沿上壩面與建基面交線最低點往下取1.5倍壩高，壩前取2倍，壩后取3倍，大壩兩側取1倍壩高。整體有限元模型節(jié)點數(shù)為109 984、單元數(shù)為94 161。

2.2 ?邊界條件

基巖上下游邊約束水平順河向位移，底邊全約束，左右兩側邊約束沿壩軸線（橫河向）水平位移。基巖假定為各向同性、均勻連續(xù)的彈性體，壩體混凝土假定為不透水體，水壓力均只作用在相關面上。

2.3 ?特征水位及淤沙高程

楊房溝水電站上、下游水庫特征洪水位及壩前淤沙高程見表1。

2.4 ?材料參數(shù)

（1）淤沙參數(shù)。淤砂浮容重：0.5×103 kg/m3;淤砂內摩擦角：0o。

（2）壩體混凝土材料參數(shù)。拱壩主要采用C18030、C18025混凝土，閘墩和孔口部位采用C30混凝土，閘墩頸部及支撐大梁混凝土采用C40。主要參數(shù)見表2。

（3）鋼筋材料參數(shù)。結構鋼筋采用HRB400E鋼筋，抗拉強度設計值采用360 N/mm2。

（4）分項系數(shù)。

結構重要性系數(shù)γ0=1.1;

荷載分項系數(shù)γQ=1.1;

結構系數(shù)γd=1.2;

持久狀況狀況系數(shù)為ψ=1.0。

（5）壩基材料參數(shù)。壩址區(qū)巖石質量分級和主要力學參數(shù)見表3。

2.5 ?計算荷載

根據結構設計要求，所有荷載都按《水工建筑物荷載設計規(guī)范》[5]和《水工混凝土結構設計規(guī)范》[5]要求取荷載標準值計算。

2.6 ?計算工況

在有限元靜力計算中，主要考慮以下工況組合，見表5。

3 ?配筋計算結果與分析

3.1 ?集水井應力分析

靜力工況下拱壩10#壩段子模型應力云圖見圖3。靜力工況下拱壩10#壩體周邊混凝土應力峰值見表6?？梢钥闯觯海?）拱壩10#壩段子模型主拉應力最大值為8.71 MPa，發(fā)生在上游建基面位置;（2）拱壩10#壩段子模型主壓應力最大值為9.90MPa，發(fā)生在下游壩面底端建基面位置。

3.2 ?集水井配筋計算

根據集水井各部位應力計算結果，采用混凝土承載能力極限狀態(tài)配筋[5-6]。截取相應的截面，并對截面切取適量的線，從而得到拉應力圖形，由混凝土結構的應力圖形進行承載能力極限狀態(tài)配筋計算，確定鋼筋用量[4]。

（1）泵房配筋計算。靜力工況下泵房的第一、第三主應力分布情況見圖4。

水平向控制應力為1.54 Mpa，承載能力極限狀態(tài)下單位厚度最大配筋量為5697 mm2;徑向應力主要為壓應力，按構造配筋。

（2）隔板配筋計算。靜力工況下隔板的第一、第三主應力分布情況見圖5。

水平向控制應力為1.605 Mpa，承載能力極限狀態(tài)下單位厚度最大配筋量為6166 mm2;徑向控制應力為0.79 MPa，承載能力極限狀態(tài)下單位厚度最大配筋量為218 mm2。

（3）集水井配筋計算。靜力工況下集水井的第一、第三主應力分布情況見圖6。

水平向控制應力為1.21 MPa，承載能力極限狀態(tài)下單位厚度最大配筋兩位8716 mm2;徑向應力主要為壓應力，按構造配筋。

（4）配筋設計。根據本節(jié)（1）～（3）靜力工況下的集水井結構應力計算和配筋設計，考慮一定安全裕度及施工便利性，擬定集水井相關結構配筋方案為：配筋直徑為32mm、兩層、間排距均為20cm，相應單位寬度配筋面積為8038.4mm2。

4 ?結語

筆者采用有限單元數(shù)值分析方法，考慮自重、靜水壓力、淤沙壓力、溫度荷載的作用，對楊房溝集水井相關結構進行了應力及配筋計算分析，擬定配筋方案為：按照間排距20 cm配置雙層32圓HRB400E鋼筋，單位寬度配筋面積為8038.4 mm2。

參考文獻：

[1]朱伯芳. 有限單元法原理與應用[M].北京：水利水電出版社，2009.

[2]Bathe，K. J. Finite Element Procedures[M]. New Jersey：Prentice-Hall，1996.

[3]李同春，溫召旺. 拱壩應力分析中的有限元內力法[J].水力發(fā)電學報，2002.

[4]石廣斌. 彈性應力配筋法的探討及應用[J].水電站設計，2003.

[5]水工建筑物荷載設計規(guī)范：DL/T5077-1997[S].

[6]水工混凝土結構設計規(guī)范：DL/T5057-2009[S].

作者簡介：

葉甜（1990-），男，江西上饒人，工程師，碩士研究生，從事水工結構方面工作;

馮妍（1995-），女，江蘇揚州人，助理工程師，碩士研究生，從事水工結構方面工作;

戴永琪（1996-），女，江蘇揚州人，助理工程師，從事水工結構方面工作。