丰满水电站坝体电梯井有限元分析计算研究_谭欣.pdf

丰满水电站坝体电梯井有限元分析计算研究谭 欣，杨苗苗（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）摘 要本文采用三维有限元法对丰满水电站电梯井坝段大体积混凝土进行静、动力计算，得出地震工况下电梯井应力分布情况，并通过积分运算将电梯井各部位应力计算结果转换为内力，为电梯井结构合理配筋提供参考。关键词丰满；有限元；电梯井；抗震；应力；配筋中图分类号 TV642文献标识码B文章编号 10020624（2023）030001022023年第3期规划设计东北水利水电1 工程概况丰满水电站全面治理（重建）工程是按恢复电站原任务和功能，在原大坝下游120.00 m 处新建一座大坝并利用原有三期电站。治理工程实施后，水电站以发电为主，兼顾防洪、城市及工业供水、灌溉、生态环境保护，并具有旅游、水产养殖等效益。电站枢纽工程主要建筑物由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、左岸泄洪兼导流洞、坝后式引水发电系统、GIS开关站、过鱼设施及原有三期电站组成。大坝设计地震采用基准期100年内超越概率2%，相应地震水平加速度为131 gal。本文计算选取的电梯井位于左岸8号挡水坝段，电梯井底高程取194.00 m，顶高程269.50 m，总高 75.50 m，高程 194.00240.00 m 部分电梯井位于坝体内部，高程240.00 m 以上电梯井位于坝体外部下游侧。电梯井断面尺寸为6.00 m6.40 m。2 电梯井有限元计算2.1 抗震计算方法采用阵型分解反应谱法对电梯井进行抗震计算，采用NB 35047-2015 水电工程水工建筑物抗震设计规范 标准设计反应谱。首先进行结构静力计算，采用振型分解反应谱法分别对顺水流方向、垂直水流方向及竖直方向地震荷载下的结构响应进行计算，然后采用SRSS法1对各方向结构响应进行组合作为总的地震荷载响应。2.2 混凝土配筋方法大体积混凝土部分依据DL/T 5057-2009 水工混凝土结构设计规范 附录D（非杆件体系钢筋混凝土结构的线弹性应力图形法配筋计算原则）进行配筋验算。整理结构混凝土部分各截面内力，然后按结构力学方法配筋。2.3 计算参数1）地震动参数丰满电站场址100年超越概率2%和100年超越概率1%的地震水平加速度分别为131 gal和172 gal，相应的地震动反应谱特征周期均为 0.20 s。竖向设计地震加速度的代表值取水平向设计地震加速度代表值的2/3，动力放大系数最大值采用2.0。2）材料参数坝基岩体及坝体混凝土材料参数见表1。1DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.03.001东北水利水电规划设计2023年第3期2.4 计算过程基于弹性实体单元理论，采用通用的有限元计算软件 ANSYS 进行计算，建立大坝、基岩及附属电梯井的三维实体模型，采用Solid45单元模拟大坝混凝土、基岩、电梯井混凝土。计算工况采用地震工况。基岩侧面施加法向约束，坝体碾压混凝土横河向施加侧向约束，底面基岩全约束。荷载主要有自重、上下游水压力、扬压力、浪压力、地震荷载2。考虑坝体和库水的相互作用，地震时坝上游面动水压力折算为单位地震加速度相应的坝面附加质量3。有限元计算模型坝基在上下游及深度方向上各延伸150.00 m，横水流方向计算边界取8号坝段部分。根据有限元计算经验，综合考虑计算精度与效率，在此次计算重点关注的电梯井附近区域网格大小采用0.50 m，远离电梯井部分的坝体混凝土采用1.50 m，基岩部分采用10.00 m。3 计算结果及分析电梯井各高程应力变形及内力计算结果不同，高程250.00269.50 m网格划分比较规则，本文选取250.00 m 高程计算结果进行分析，通过提取薄壁结构部分应力并积分最终得到各个剖面的内力。沿电梯井周边各剖面布置见图1。图1 高程250.00 m计算截面及路径示意图根据提取的应力沿路径积分最终得出的各截面内力汇总见表2。由表2可知，250.00 m高程电梯井周边轴力、弯矩、剪力最终计算结果均较小，最大弯矩值仅为12.92 kNm，结构配筋只需按规范规定的最小配筋率计算即可满足设计标准。通过采用有限元程序计算电梯井周围内力及配筋，节省了工程材料用量，为工程设计提供了有效参考。表2 高程250.00 m各截面内力及配筋汇总注：1 401 mm2为最小配筋率计算结果，配筋5C204 结 语在丰满水电站全面治理（重建）工程中，对8号坝段电梯井采用通用有限元程序进行抗震计算，根据计算的应力转换为可用来配筋的内力，为该部位大体积混凝土配筋提供了有效参考，解决了大体积混凝土不适宜手动计算的问题，同时，也为大体积混凝土抗震计算、非杆件体系的结构分析设计提供了有价值的参考和借鉴经验。参 考 文 献1张运良，李建波.水工建筑物抗震计算基础 M.北京：中国水利水电出版社，2015.2水电水利规划设计总院，水利部水利水电规划设计总院.水工建筑物荷载标准：GB/T 51394-2020 S.北京：中国电力出版社，2020.3水电水利规划设计总院.水电工程水工建筑物抗震设计规范：NB 35047-2015 S.北京：中国电力出版社，2015.表1 材料参数表材料名称坝体混凝土基岩电梯井部分结构混凝土弹性模量E/GPa20.39.028.0泊松比0.1670.2900.167645213410111151210水流方向213612L9L7L8剖面1-12-23-34-45-56-610-1011-1112-12轴力/kN40.1223.0925.58-25.04-44.6010.13-24.84-42.5312.66弯矩/（kNm）-12.92-9.36-10.941.47-1.74-0.273.188.54-2.28剪力/kN2.406.186.414.058.626.223.331.246.14受拉钢筋面积/mm21 401（内侧）1 401（内侧）1 401（内侧）1 401（外侧）1 401（内侧）1 401（内侧）1 401（外侧）1 401（外侧）1 401（内侧）受压钢筋面积/mm21 401（外侧）1 401（外侧）1 401（外侧）1 401（内侧）1 401（外侧）1 401（外侧）1 401（内侧）1 401（内侧）1 401（内侧）收稿日期 2022-05-30 2