某水利工程导流洞进水塔排架结构有限元计算

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文章编号:1006—2610(2020)02—0069—05

某水利工程导流洞进水塔排架结构有限元计算

郭浩洋

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安摇710065)

摘摇要:以某水利枢纽工程导流洞进水塔上部排架结构为研究对象,采用大型通用有限元软件ANSYS,建立三维有限元模型,计算该结构的弹性应力场。采用非杆系钢筋混凝土结构的应力图形法,结合ANSYS的后处理提取功能,给出了应力配筋计算的方法和步骤,并与传统计算方法进行了对比,结果表明,有限元方法计算过程清晰,结果更加精确可靠。

关键词:ANSYS;非杆系结构;后处理;配筋

中图分类号:TV732.1;TU731.2摇摇摇文献标志码:A摇摇摇摇DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2020.02.016

FiniteElementCalculationofTheBentStructureofTheInletTower

ofTheDiversionTunnelofaWaterConservancyProject

(PowerChinaNorthwestEngineeringCorporationLimited,Xi'an摇710065,China)

Abstract:Takingtheupperbentstructureofthediversiontunnelinlettowerofawaterconservancyprojectasthestudyobject,alarge-scaleu鄄structure.Usingthestressgraphicsmethodofnon-barreinforcedconcretestructure,combinedwiththepost-processingextractionfunctionofAN鄄thatthefiniteelementmethodcalculationprocessisclearandthecalculationresultismoreaccurateandreliable.Keywords:ANSYS;non-barstructure;post-processing;reinforcement

niversalfiniteelementsoftwareANSYSwasusedtoestablishathree-dimensionalfiniteelementmodeltocalculatetheelasticstressfieldoftheSYS,themethodandstepsofstressreinforcementcalculationareproposedandcomparedwiththetraditionalcalculationmethod.Theresultshows

GUOHaoyang

1摇工程概况

某水利枢纽工程正常蓄水位以下库容为11.74亿m3,工程规模为玉等大(1)型工程。该工程导流洞进水塔上部采用排架结构,排架顺水流方向为1跨,宽度9.9m,垂直水流方向为2跨,宽度22.0m,排架高度为29.0m。排架柱尺寸为1.5m伊1.5m,连结梁尺寸为1.5m伊1.0m,排架顶部设工作平台,平台顶布置4台启闭机,通过尺寸为1.8m伊2.0m的槽孔控制闸门启闭。具体尺寸如图1、2所示。

算,计算程序采用大型有限元分析软件Ansysl4.5,三维混凝土模型采用实体单元solid65模拟。主要研究导流洞上部排架混凝土结构在自重、启闭机重量、平台活荷载及提门时启闭机荷载等作用下结构的应力分布情况,根据计算结果,重点提取梁柱关键截面及顶部工作平台的应力。2.2摇计算模型

导流洞上部排架混凝土结构计算时,启闭机荷载按照金结专业提供的大小和位置换算成均布荷载布置于结构相应位置。进水塔下部结构简化为块状基础。基础的底部按三向约束模拟,进水塔上部排架结构其它表面按自由边界考虑。整体坐标系确定如下:X轴为顺流向,其正向指向上游,Y轴为垂直水流向,指向右侧(面向下游)为正;Z轴沿铅垂向,向上为正。进水塔排架三维模型如图3所示。

2摇有限元计算分析

2.1摇计算方法

主要采用线弹性三维有限元法进行结构应力计

摇摇收稿日期:2018-11-15

摇摇作者简介:郭浩洋(19-),男,河南省洛阳市人,工程师,主要从事水利水电工程施工设计工作.

70郭浩洋.某水利工程导流洞进水塔排架结构有限元计算

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图1摇排架结构侧视图摇摇单位:cm

图2摇排架结构正视图摇摇单位:cm

摇id65摇计算模型采用六面体网格划分062结点总数为个单元[1-3],基础单元总数为,其中排架结构混凝土单元总数为,单元采用sol鄄214822个。133计算模型网格如图760个,整个计算模型81

4所示。

图3摇进水塔排架三维模型图

图4摇进水塔排架有限元模型图

2.3摇工况及计算参数2.3.1摇计算工况

导流洞进水塔上部排架结构的主要荷载包括:A1为结构自重,荷载分项系数1.05;

A2为启闭设备的重量,荷载分项系数1.05;A3为风荷载,荷载分项系数1.20;A4为平台活荷载,荷载分项系数1.20;

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A5为下闸时启闭机荷载,荷载分项系数1.20;A6为提门时启闭机荷载,荷载分项系数1.20;1.20。

A7为施工期平台安装荷载,荷载分项系数根据导流洞进水塔排架结构计算工况进行分

析,计算工况对应的荷载组合如表1所列。

表1摇排架结构荷载组合表

工况1施工期工况条件2运行期下闸工况A荷载组合运行期提门工况A1A1+1+A2+A3+A4+A73+AA22++AA33++AA44++AA56综合考虑3种工况,工况3(运行期提门工况)为最不利工况,故本计算书只计算运行期提门工况下的应力分布。由于本排架断面积较小,不考虑风荷载的影响,又平台活荷载对结果的影响很小,故计算荷载组合为结构自重+启闭设备重量+启闭机荷载。

2.3.2摇计算参数

计算中涉及的材料参数如下。(1)强度等级混凝土C25;弹性模量E=28.0GPa;泊松比滋=0.167;容重酌=24.0kN/m3轴心抗拉强度设计值;

ft轴心抗压强度设计值f=1.27MPa;(2)HRB400钢筋

c=11.9MPa。抗拉强度设计值fx2.4摇有限元计算结果分析

=360MPa。

进水塔上部排架结构的第1主应力云图如图5所示。由图5可以看出,排架下部3层结构受顶部荷载影响较小,故本次计算主要关注第4层排架柱及顶部工作平台的应力分布。由于受到上部荷载影响,顶部工作平台结构产生了向内翻转的趋势,因此,第4层排架柱最大压应力出现在顺水流方向(X轴方向)两根柱子的内侧,最大值为3.56MPa,最大拉应力出现在剩余4根柱子与顶板相交的外侧角部,最大值为5.30MPa。顶部工作平台的第1主应力云图如图6所示,由图6可知,排架顶部工作平台的拉应力主要出现在板的下方孔口附近,拉应力最大值出现在孔口边缘,最大值为11.6MPa。

图5摇排架结构整体主应力云图

图6摇工作平台主应力云图3摇应力配筋

3.1摇配筋原则

根据有限元模型的计算结果,采用SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》规范[4]中12.2章节拉应力图形配筋方法进行,采用如下公式进行配筋。

As逸

KTfy

式中:K为承载力安全系数,根据本建筑物等级,取1.15;fy为钢筋抗拉强度设计值,本工程采用HRB400力设计值钢筋。

,fy=360N/mm2;T为由钢筋承担的拉对于三维空间复杂的混凝土结构而言,由于其自身形状、外部受力特征以及边界条件的多样性,最大拉应力所在截面上各点的主拉应力方向各不相同,因此,实际工程应用中,不可能将结构配筋完全沿着主拉应力的方向布置[5]Y、Z三个方向的应力分别计算配筋来代替主拉应力。常规的做法是以X、配筋的方法,即按照正应力方向计算配筋[6-7]。基

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詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨于此,在进行配筋计算时往往假定混凝土结构所承受的拉应力全部由钢筋承担,而忽略掉混凝土的辅助抗拉作用,这种做法虽然略显保守,但更为实用,3.2摇应力配筋计算也更便于实际操作[8]。

根据配筋原则,要求目标截面的配筋面积,就需要计算出承受的拉力值。通过有限元计算,可以得到排架混凝土结构内部弹性应力场。在ANSYS的后处理器中,选取高应力区应力最大断面的典型路将块B单独取出,计算简图如图9所示。阴影

面为计算目标截面,在该截面上取3条应力路径。每条路径取3个路径点,相邻两路径点之间取20个等分,分别积分计算3条路径上的X向应力,计算结果见表2。

径,进行应力路径积分。根据弹性应力图形拉正压负的特点,选取应力大于零的节点进行积分,即可得到该路径的总拉力[9-10]以工作平台下方两槽孔之间的混凝土结构为

。

例,计算此部分结构顺水流方向(X轴方向)的配筋面积,见图7。

图7摇工作平台X向应力云图

由图7可以看出,工作平台顺水流向拉应力主要集中在工作平台底部两牛腿结构之间,最大拉应力达到了10.9MPa,出现在工作平台下方两槽孔之间的位置。

利用结构对称的特性,取工作平台的一半(Y逸0),侧(计算简图见图-X轴侧)的X8向拉应力所示。计算图中块,并根据应力计算结果B底部下游配筋。

图8摇工作平台分区计算示意图

图9摇块B顺水流向应力计算示意图表2摇块B顺水流向配筋计算表

路路径长度路径点应力值F拉最终F拉径1/21m10.6.-0./MPa路径间距3110.6394-0.86-12.-7.58/(MN·m-1)/m最终2./MN建议配筋1-0.3994-12.942.241摇31.7D28(2.270底部1020.X向受拉钢筋0.66A0652排,每排)7915S(mm2)其他部位配筋按照上述方法计算。3.3摇配筋结果对比分析

为了对比分析有限元法的配筋结果,本文作者

按照传统方法对排架结构进行了计算,将空间排架结构按照2个相互垂直的平面简化为平面杆系结构,采用结构力学法分别计算2个平面模型的内力,并按照SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》进行配筋计算。

为了便于对比配筋结果,结合图8,选取具有代表性的部位,罗列配筋结果如表3所示。

由表3可以看出,有限元法与传统方法计算结果差别较大。产生以上结果的原因分析如下:是将梁和柱简化为平面杆件(1)对于排架结构梁柱的配筋计算,然而在计算平面杆件,传统方法

体系内力时并没有考虑空间内垂直平面方向上的结构对荷载的分担和影响,而有限元模型可以精确地模拟结构的三维体型,故有限元法计算结果明显小于传统方法。

工作平台沿两个方向整体简化为平面杆件(2)对于工作平台的配筋计算,传统方法是将,但是,传

统方法无法考虑工作平台的体型结构对内力分布的影响,也无法考虑垂直平面方向上荷载的分布位置

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表3摇排架结构配筋结果对比表

传统方法部位中间上游第4层侧排架柱排架柱(受拉区)(Z向中间下游钢筋)侧排架柱块A(底部受拉区)工作块B(底平台部受拉区)(X向块C(底钢筋)部受拉区)块D(底部受拉区)(受拉区)配筋面积/mm2范中拉应力图形配筋法,即可求出配筋量。给出了有限元法应力配筋的方法和步骤,并与传统结构力学方法的计算结果进行比较,由于有限元法可以精确模拟结构的三维体型、荷载分布、约束及边界条件等,故可以更为精确地反映不同部位的应力分布,配筋结果较传统方法更为合理。

有限元法配筋面积/mm2建议配筋8D2D282排,每排10D282排,每排7D282排,每排5D2811D28建议配筋8D369D362排,每排8D282排,每排5D282排,每排6D282排,每排10D28相比传统方法节省钢筋/%46.441.9-24.6-40.410.247.28001102356366575117414291517511121791559066205参考文献:

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对内力分布的影响,所以造成了工作平台底部受拉区的X向钢筋的总体配筋量与有限元方法相比差别不是很大,但在不同部位2种方法计算出的结果差别较大。对比2种方法,显然有限元方法的配筋结果更符合实际受力情况。

4摇结摇语

通过建立进水塔上部排架结构的三维有限元模型,模拟运行期提门工况,计算求得排架结构的弹性应力场,利用ANSYS后处理器的路径功能读取相应路径上的应力分布,积分求得相应的拉应力,按照规

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摇摇(上接第65页)

摇摇(2)在汛期保持敞泄,在非汛期进行蓄水和调节供水的拦河闸坝,宜设置溢洪通道应对非常时期的洪水。

度控制,宜布设引水管,由流量调节阀控制引水管的供水流量。

程施工场地小,不宜采用基础灌浆处理,采用水平及垂直防渗措施。

(4)本工程透水层相对较浅,较容易开挖,且工(3)全闸型拦河闸坝,调水流量不宜由闸门开

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