基于ANSYS的引水隧洞有限元分析.pdf
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1、第10 期2023年10 月文章编号:16 7 3-9 0 0 0(2 0 2 3)10-0 0 2 7-0 2陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023基于ANSYS的引水隧洞有限元分析张羽佳(陕西黄河古贤水利枢纽开发有限公司,陕西西安7 10 0 32)摘要对某供水工程引水隧洞进行研究,通过建立三维有限元模型,对正常运行、检修、施工三种工况下引水隧洞衬砌结构的应力分布情况进行分析。结果表明:最不利的工况为正常运行工况,并选取正常运行工况下环向应力最大值出现部分进行配筋计算。【关键词引水隧洞;有限元;衬砌结构;应力中图分类号TV672+.1【文献标
2、识码B1工程概况某供水工程为I等大(1)型工程,根据相关报告可知,该工程灌溉总面积436.8 2 万亩,年引水量17.2 5亿m,设计最大引水流量147.6 8 m/s,根据水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2017),确定调水工程等别为I等大(1)型,大坝取水口、输水隧洞、输水干渠等主要建筑物级别为1级,分布于各支线的调蓄水库、调蓄池、泵站、输水支管等建筑物按其自身规模确定其建筑物级别,施工导流等临时建筑物为4级。该供水工程主要由干线工程、城镇及工业用水线路工程、灌溉线路工程等组成。其中干线工程主要为1条干洞、3条干渠。干洞全段采用有压输水,隧洞断面形式为圆形,洞径11.0m,采用
3、35cm厚C50钢筋混凝土衬砌。本次选取干洞进行结构有限元分析,为混凝土衬砌配筋设计提供依据。2有限元模型建立选用SOILD186实体单元模拟引水隧道,有限元计算模型见图1,计算模型单元网格见图2。管道内径11m,混凝土厚35cm,模型单元总数30 40 个,节点总数2 16 6 0 个。X轴水平向右为正,Y轴竖直向上为正。图1引水隧洞计算模型3计算参数及工况3.1计算参数引水隧洞混凝土衬砌参数见表1,围岩物理力学参数见表2。表1花衬砌混凝土参数表材料泊松比混凝土0.2表2围岩物理力学参数表变形抗剪(断)强度(岩/岩)围岩重度/模量类别(kN/m)Eo/CPa27.083.2计算工况本文在计算
4、分析过程中,计算工况及荷载组合根据水工隧洞设计规范(SL279-2016)进行选择,结果见表3。根据水工混凝土结构设计规范(SL191-2008),各工况系数选取见表4。表3计算工况及荷载组合作用类别作用计算组合工况围岩衬砌内水地下水灌浆压力自重压力压力压力基本组合正常运行V基本组合检修工况V图2引水隧洞计算模型单元网格弹性模量/MPa3.45 104坚固单位弹性抗系数力系数K/c/MPaf(MPa/cm)1.000.90基本组合 施工工况V容重/(kN/m)250.703VV65收稿日期2023-08-01【作者简介张羽佳(19 9 2-),女,陕西西安人,工程师,主要从事水利水电工程相关工
5、作。27第10 期2023年10 月水工建筑物级别荷载效应组合注:1.结构在使用、施工、检修期的承载力计算,安全系数K应按表中基本组合取值;对地震及校核洪水位的承载力计算,安全系数K应按表中偶然组合取值。2.当荷载效应组合由永久荷载控制时,表列安全系数K应增加0.0 5。3.3计算荷载3.3.1围岩压力进行围岩压力计算时,根据水工建筑物荷载设计规范(SL7 44-2 0 16)相关标准要求进行计算,其中的垂直围岩压力基于公式(1)进行分析,而水平方向的则根据公式(2)确定:(1)qul=0.25,B式中:u为垂直均布压力标准值,kN/m;为岩体重度,kN/m;B 为洞室开挖宽度,m。(2)qm
6、=0.075%RH式中:qm为水平均布压力标准值,kN/m;H 为洞室开挖高度,m。3.3.2内水压力内水压力计算是根据水工建筑物荷载设计规范(SL744-2016)进行分析,由公式(3)确定出衬砌的内水压强标准值:(3)式中:Pa为内水压强标准值,,kN/m;为水的重度,本文计算时采用9.8 kN/m;H 为作用水头,m3.3.3外水压力进行外水压计算时,根据水工建筑物荷载设计规范(SL7 44-2 0 16),由公式(4)确定出衬砌的外水压强标准值:Pet=,YuH(4)式中:Pel为相应的外水压强标准值,kN/m;。为外水压力折减系数,本文在计算分析时采用0.4;H。为作用水头,m。3.
7、3.4灌浆压力回填灌浆压力采用0.3MPa,灌浆作用范围为顶拱12 0。3.4计算结果及分析3.4.11正常运行工况正常运行工况下,引水隧洞径向应力为压应力,最大值2.70MPa,环向应力最大值1.33MPa。引水隧洞径向应力、环向应力分布见图3 图4。钱正常运行葵型然向应力(X轴)单位:MPa坐标系时简:-2:3231最大2.36482.40642.44812:4897253143173.65632.65632.698最小.28.陕西水利Shaanxi WaterResources表4各工况系数选取表正常运行货向应方蒸型然向应力(Y轴年色MIPa1坐标系诗简:13318最大1.1653基本组
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