泵房下部结构计算中的关键问题研究.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：作者简介：马瑶（），男，陕西榆林人，本科，工程师，从事水工结构设计及相关工作。泵房下部结构计算中的关键问题研究马瑶，（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ；四川省城市水环境治理工程技术研究中心，四川 成都 ）摘要：本文结合某中型电排站项目，对泵房下部结构分别采用三维有限元分析和简化二维框架结构计算，通过对两种计算结果进行对比研究，分析结构简化对内力计算结果的影响，分析产生误差的原因，使泵房下部结构的计算更加准确合理，为同类项目泵房下部结构的设计与计算提供参考。关键词：泵房下部结构；框架结构；有限元分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言随着城市建设的快速发展，电排站被广泛应用于地区的排水防涝治理当中。泵房作为电排站的主体结构，其下部结构包括泵房底板、进出水流道、机墩、电机梁板等，上部结构包括排架、吊车梁等。由于进出水流道的形状不规则、梁板支撑结构较多以及管道布置产生的孔洞等，使得泵房下部结构作为一个空间结构，其受力情况往往比较复杂。为简化计算，设计者通常可根据工程实际情况，将泵房下部三维结构简化为二维框架结构进行计算，但是这种计算往往会有一定的误差，对于结构配筋设计，还需要依靠设计者自身的经验和同类工程进行类比综合来定。目前三维有限元分析在泵房下部结构计算中应用较少，对于同一类型的泵房下部结构，利用三维有限元分析和简化二维框架结构计算之间的误差研究更是甚少。因此，本文针对某中型电排站的泵房下部结构进行了三维有限元分析和二维框架结构计算，通过对两种计算结果进行对比研究，分析结构简化对内力计算结果的影响，为同类工程的设计提供参考。工程概况工程位于大湾区，拟在原电排站规模基础上扩建双向电排站，进而提升片区防涝和活水能力。电排站设计排涝流量 ，设计净扬程 ，为堤后式正面进水，主要由内引涌、清污机、进水前池、进水闸室、主副厂房、出水闸室，出水池、出水箱涵、出口消力池等建筑物组成。水泵采用立式轴流泵，总装机容量 ，装机台数 台，设计最高扬程 。泵房（闸室）段长度 ，分为上下两层 结 构。下 层 为 进 出 水 流 道 层，底 部 标 高 ，底板厚度 ，顶部高 ，结构采用 钢筋混凝土，该层主要放置立式水机的叶轮及出水管等设备。上层为主厂房操作吊装层，放置电机控制系统以及承担吊装功能。泵房下部结构见图 。?图 泵房下部结构平面示意（单位：）?图 泵房下部结构横断面示意（单位：）二维框架结构计算 计算工况本工程泵房建筑物级别为 级，结构计算中的荷载主要分为自重、水重、扬压力、静水压力、土压力等。结合工程运行情况，本次按完建工况、设计运行工况、检修工况和校核运行工况下的荷载组合进行结构计算。各工况水位组合见表 ，各工况荷载组合见表 。表 各工况水位组合监测项目计算工况完建工况设计运行工况检修工况校核运行工况计算水位 无水进水池水位 出水池水位 进水池水位出水池水位 进水池水位 出水池水位 基底应力 前池侧外江侧前池侧外江侧前池侧外江侧前池侧外江侧 表 各工况荷载组合荷载组合计算情况自重静水压水重扬压力土压力基本组合完建期设计运用工况特殊组合检修工况校核运行工况 计算参数泵房下部结构采用 钢筋混凝土，泵站周围土体为粉细砂，天然容重 取 ，饱和容重取 ，内摩擦角 取 。土压力的计算是一个复杂的问题，因为形成土压力的散黏土体通常是处于弹性平衡状态，属于超静定的问题，目前还无法精确计算散粒土体处于弹性平衡状态下产生的土压力。一般在计算挡土建筑物的土压力时，对于向外侧移动或转动的挡土结构，可以按主动土压力计算；对于保持静止不动的挡土结构，可以接静止土压力计算。实际上完全静止不动的挡土结构是不存在的，在土压力或其他荷载作用下总要产生一定的移动或转动，只不过移动量和转动量很小，结构所受的土压力与静止土压力相近而已 。本工程泵房下部结构属于基本对称结构，且梁板支撑较多，移动量和转动量很小，结构所受的土压力与静止土压力相近，因此土压力按静止土压力计算。地基反力取基底应力减单宽底板自重。模型建立采用理正结构工具箱 平面刚桁架模块进行建模计算，将泵房下部结构的底板、边墩、中墩、检修层等简化为平面框架结构，在泵房下部结构中部垂直水流方向取单宽框架 ，边墩简化为（宽 高）构件，中墩简化为 （宽 高）构件，底板简化为 （宽 高）构件，检修层板简化为 （宽 高）构件，结构与地基的约束按铰支座考虑。简化二维框架结构计算如图 所示。?图 泵房下部结构二维计算示意（荷载：，尺寸：）计算结果泵房下部结构各部位弯矩计算结果见表 。表 二维框架结构弯矩计算结果工况弯矩（）边墩中墩检修层板 底板面层 底板底层完建工况 设计运行工况 检修工况 校核工况 根据二维框架结构计算结果可以得出：在检修工况下，泵房下部结构中各部位的弯矩值计算值最小；在完建工况下，泵房下部结构中各部位的弯矩值计算值最大，为最不利工况。三维有限元分析 计算工况为更好地与二维框架结构的计算结果进行对比，本次三维有限元分析选取完建工况下的荷载组合进行结构计算，水位组合见表 ，荷载组合见表 。计算参数泵房下部结构采用 钢筋混凝土，弹性模量取 ，泊松比 取 ，容重 取 。泵站周围土体为粉细砂，压缩模量 取 ，泊松比 取 ，天然容重 取 ，饱和容重取 ，内摩擦角 取 。泵站地基采用水泥搅拌桩复合地基，深为 ，压缩模量 取 ，泊松比 取 ，天然容重 取 ，饱和容重取 ，黏聚力 取 ，内摩擦角取 。模型建立采用 有限元软件进行建模计算，具体过程为：定义材料属性几何模型生成网格单元划分边界荷载设置施工阶段定义分析结果处理。由于软件只建立泵房下部结构模型，而未建立泵房上部厂房结构。因此，计算时需要将泵房上部结构荷载计入，根据设计图纸，泵房上部结构自重为 ，通过排架柱作用于泵房下部结构顶部，其中中间的两排柱子荷载约为其他柱子的 倍，因此边柱传递的集中荷载为 ，中柱传递的集中荷载为 。建模时在泵房下部实体结构中部设置测量板，通过计算剖面表面的内力值，进而与平面框架结构的计算结果进行对比。泵房下部结构有限元计算模型见图 。计算结果泵房下部结构变形与测量板弯矩计算结果见图。图 泵房下部结构有限元计算模型图 泵房下部结构变形与测量板弯矩计算结果根据三维有限元分析计算，受周围土压力的作用，泵房下部结构的变形由边墩两侧向中间呈对称性地减小，左侧由于电机层梁板与隔墙的支撑作用，其变形值略小于右侧。根据测量板弯矩计算结果，从方向上来看，三维有限元分析计算的弯矩方向与二维框架结构计算的弯矩方向基本一致，从数值上来看，三维有限元分析计算的弯矩结果小于二维框架结构计算的弯矩结果。计算结果分析研究通过将三维有限元分析计算的弯矩值与二维框架结构计算的弯矩值进行比较，三维有限元分析的计算结果小于二维框架结构计算结果。三维有限元分析是基于弹性力学中的变分原理，适用于各种实际工程的准确建模与分析。采用 三维有限元软件分析计算时，模型中考虑了泵房底板、进出水流道、机墩、电机梁板、检修层梁板等结构的空间连接作用，泵房上部结构荷载传递至下部结构引起的内力变化，还有基础与地基之间的相互作用。而二维框架结构是一种简化算法，它是将三维结构简化成二维框架体，在泵房下部结构中部垂直水流方向取单宽框架，然后通过位移法或力法来求解 ，这种方法在结构简单的情况下误差是可控的，但是对于复杂结构，过多的简化可能会导致计算结果出错。由于二维框架结构简化计算忽略了其他外部荷载，如相邻机组自重或上部结构荷载所产生的弯矩影响，导致梁板结构与两侧边墩结合部位计算出的弯矩值较有限元分析的结果偏小，因此在这些节点处需要引起足够的重视，避免结构局部承载力不足导致结构的破坏。结论通过将泵房下部结构的三维有限元分析与二维框架结构计算进行对比研究，可以得出以下结论：（）三维有限元分析的弯矩计算结果小于二维框架结构计算结果。对于结构简单的泵房下部结构，采用二维框架结构简化计算有很强的适用性，但是对于形状不规则、梁板支撑结构较多的复杂泵房下部结构，采用二维框架结构进行计算的结果往往偏大，会有一定的误差，因此对于复杂泵房下部结构，采用三维有限元分析是很有必要的。（）采用二维框架结构计算时，泵房下部结构各层梁板与两侧边墩结合部位的弯矩值较有限元分析的结果偏小，因此在这些节点处需要引起足够的重视，避免结构局部承载力不足导致结构的破坏。参考文献：中华人民共和国水利部 水闸设计规范：北京：中国水利水电出版社，中华人民共和国水利部 泵站设计规范：北京：中国计划出版社，丘传忻 取水输水建筑物丛书：泵站 北京：中国水利水电出版社，（编辑：惠方方檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）明，谷幅收缩会引起拱坝向上游变形，并且谷幅收缩对大坝变形的影响可以近似用直线关系来描述。针对该特高拱坝的工作特点，研究了影响拱坝工作性态的各主要影响因素的作用规律，构建影响大坝变形中水压、温度、谷幅和时效等分量的具体数学表达式，据此建立了一种考虑谷幅收缩作用的拱坝变形监控模型。模型应用表明，提出的监控模型可以方便快捷地考虑谷幅变形对拱坝变形的影响，能更全面、真实地反映各影响因素对拱坝变形的影响程度。此外，模型原理简单，易于理解，便于通过编程实现，可以对坝体变形做出快速准确的跟踪监控，从而可以科学快速的评判大坝运行状态，为后续分析预测谷幅影响下大坝变形和评判大坝运行安全状态提供借鉴。参考文献：杨强，潘元炜，程立，等高拱坝谷幅变形机制及非饱和裂隙岩体有效应力原理研究 岩石力学与工程学报，（）：武明鑫，赵全胜 谷幅变形对拱坝工程安全影响案例分析及有关启示 水力发电，（）：程恒，张国新，廖建新，等 高拱坝谷幅变形特征及影响因素分析 水利水电技术，（）：，（）：，（，），（）：杨学超，高克静，赵文光，等 谷幅收缩变形对溪洛渡拱坝的安全影响分析 水利与建筑工程学报，（）：刘有志，相建方，樊启祥，等 谷幅收缩变形对拱坝应力状态影响分析 水电能源科学，（）：张国新，程恒，周秋景，等 高拱坝蓄水期谷幅时效变形机理研 中国科技论文，（）：钟大宁，刘耀儒，杨强，等白鹤滩拱坝谷幅变形预测及不同计算方法变形机制研究 岩土工程学报，（）：张冲，王仁坤，汤雪娟 溪洛渡特高拱坝蓄水初期工作状态评价 水利学报，（）：（编辑：全力立）