鋼筋混凝土非桿體系結(jié)構(gòu)分析方法研究

精品文檔-下載后可編輯鋼筋混凝土非桿體系結(jié)構(gòu)分析方法研究摘要:某水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)水口結(jié)構(gòu)屬于典型的非桿件體系水工混凝土結(jié)構(gòu)，較為合理的設(shè)計(jì)方法是采用鋼筋混凝土非線性有限元法進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析，筆者認(rèn)為對(duì)于導(dǎo)流隧洞進(jìn)水口墩結(jié)構(gòu)原有的配筋方案基本能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載力要求;在基本計(jì)算中分縫的影響可以不計(jì);在閘門(mén)孔口附近應(yīng)乎取適當(dāng)?shù)姆浪胧?對(duì)中墩前部和尾部可以?xún)?yōu)化配筋方案。

關(guān)鍵詞:導(dǎo)流隧洞;中墩;鋼筋棍凝土;非線性;空間有限元分析

1進(jìn)水口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

電站由碾壓混凝土重力壩、左岸地下廠房、右岸通航建筑物等組成。左、右岸各布置1條導(dǎo)流隧洞，采用16mx21m的城門(mén)洞形斷面。導(dǎo)流洞進(jìn)水口段長(zhǎng)29.00m，進(jìn)水口段頂板作為閘門(mén)組裝平臺(tái)，后期利用啟閉架吊放平面鋼閘門(mén)對(duì)導(dǎo)流洞進(jìn)行下閘封堵。左岸導(dǎo)流洞進(jìn)水口平面如圖1所示。

其結(jié)構(gòu)屬于非桿件體系水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，《DL/T5057-2022，SL191-2022水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》建議按彈性應(yīng)力圖形進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。研究表明團(tuán)，采用彈性應(yīng)力方法所配鋼筋與采用鋼筋混凝土非線性有限元方法考慮裂縫引起應(yīng)力重分布所配鋼筋相比，有的部位過(guò)于保守，有的部位又偏于不安全。實(shí)際上，當(dāng)混凝土開(kāi)裂后，由于裂縫等引起應(yīng)力重分布，結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)與彈性應(yīng)力狀態(tài)有本

質(zhì)區(qū)別，再按彈性應(yīng)力進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)明顯是不合理的，較為合理的設(shè)計(jì)方法是采用鋼筋混凝土非線性有限元法。同平面非線性分析相比，空間非線性分析能夠更真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。本文采用空間非線性有限元方法對(duì)進(jìn)水口中墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)中墩結(jié)構(gòu)的承載能力和安全度作出合理評(píng)價(jià)。

2空間非線性有限元計(jì)算方法

2.1計(jì)算模型

采用大型商業(yè)化有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，利用該軟件單元庫(kù)中的八節(jié)點(diǎn)六面體空間等參單元建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。該單元具有模擬開(kāi)裂、塑性變形及壓碎等功能，每個(gè)結(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度，并能夠在3個(gè)方向上定義分布鋼筋，分布鋼筋不承擔(dān)剪力。

導(dǎo)流隧洞進(jìn)水口結(jié)構(gòu)空間彈性分析的有限元網(wǎng)格如圖2所示?？臻g彈性分析計(jì)算范圍考慮到進(jìn)水口結(jié)構(gòu)與巖體共同工作，巖體范圍取足夠大(結(jié)構(gòu)的3倍)，巖體周邊按固結(jié)處理。進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高分別為29.0,43.4,42.0m，全部包括在計(jì)算模型內(nèi)。進(jìn)水口結(jié)構(gòu)底板以下基于巖沿深度方向取結(jié)構(gòu)高度的1倍左右，約40m;沿上、下游(順?biāo)?方向取結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的各1倍左右，共約85m。進(jìn)水口兩側(cè)墻外側(cè)巖體沿寬度(橫水流)方向取結(jié)構(gòu)寬度的各1倍左右，共約120m。利用對(duì)稱(chēng)性原理取整個(gè)結(jié)構(gòu)體的一半以減小計(jì)算規(guī)模。為了對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)水口中墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加精確的分析，采用了子模型方法。子模型方法的基本思想是:先對(duì)整體模型進(jìn)行分析，對(duì)于感興趣的子域，將整體模型相應(yīng)于該子域邊界上的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化成子域的邊界條件，對(duì)子域細(xì)分網(wǎng)格進(jìn)行二次求解。進(jìn)水口中墩結(jié)構(gòu)空間非線性分析的有限元網(wǎng)格如圖3所示。進(jìn)水口中墩結(jié)構(gòu)計(jì)算范圍以中墩中軸線為對(duì)稱(chēng)軸，沿進(jìn)水口寬度方向取

4.5m，長(zhǎng)度取29.0m，高度取41.6m。利用對(duì)稱(chēng)性原理，取中墩結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行計(jì)算，并且計(jì)算時(shí)不考慮基底揚(yáng)壓力。將整體模型在定義的切割邊界上的彈性分析應(yīng)力結(jié)果作為子模型的指定應(yīng)力邊界條件。分析時(shí)考慮0+000.000處分縫(如圖1所示)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響及配筋率對(duì)裂縫開(kāi)展的影響。

2.2材料物理特性

材料基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。彈性分析時(shí)，土和基巖均按各向同性彈性材料考慮。非線性分析時(shí)，假設(shè)鋼筋為理想彈塑性材料，屈服強(qiáng)度為235N/mm,彈性模量為2.1x10N/mm混凝土的抗壓強(qiáng)度為27.0MPa，抗拉強(qiáng)度為2.45MPa，彈性模量為3x10N/mm，泊松比為1/6。采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則和五參數(shù)的William-Warnke強(qiáng)度準(zhǔn)則描述混凝土的屈服及破壞?；炷恋拈_(kāi)裂及閉合時(shí)的剪力傳遞系數(shù)分別取0.3和0.5。

2.3計(jì)算工況

根據(jù)前期研究成果，只考慮以下最不利工況:初期發(fā)電期，閘門(mén)前斷面有水，閘門(mén)后斷面無(wú)水，閘門(mén)擋水承受水壓力。荷載組合為結(jié)構(gòu)自重、庫(kù)水壓力、基底揚(yáng)壓力、進(jìn)口段內(nèi)壁靜水壓力、啟閉架自重、閘門(mén)自重及聞門(mén)擋水壓力，荷載分項(xiàng)系數(shù)均為1.0。計(jì)算水位自250m一直到330m(初期發(fā)電期的最高庫(kù)水位)。作用在閘門(mén)上的水壓簡(jiǎn)化為集中力，作用在孔邊結(jié)點(diǎn)上。

2.4計(jì)算坐標(biāo)系

進(jìn)水口中墩結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算坐標(biāo)系:X為水流方向，順?biāo)鞣较驗(yàn)檎?Y為鉛垂向，向上為正;Z為0+OOO.OOI〕樁號(hào)鉛垂面與水平面的交線，指向左岸山體為正。坐標(biāo)原點(diǎn)位于0+000.000斷面中墩中心面的底部。

3計(jì)算成果

3.1結(jié)構(gòu)空間彈性分析

由空間彈性分析可知，基底揚(yáng)壓力、0+000.000處分縫對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響都局限在邊角等局部區(qū)域，而對(duì)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響很小，且對(duì)于閘門(mén)壓力作用處(最危險(xiǎn)區(qū)域)的各應(yīng)力值無(wú)明顯影響，故僅將其作為參照因素，不記人基本計(jì)算之中。進(jìn)水口中墩結(jié)構(gòu)的受力比較復(fù)雜，最大主應(yīng)力值超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，需要對(duì)中墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，以確定裂縫開(kāi)展規(guī)律。

3.2混凝土墩結(jié)構(gòu)非線性分析

墩結(jié)構(gòu)空間非線性分析表明，如果按照原有配筋方案配置鋼筋，當(dāng)荷載達(dá)到工作荷載的50%左右時(shí)，裂縫首先在順?biāo)鞣较?5m截面附近的位置產(chǎn)生，當(dāng)達(dá)到正常荷載時(shí)，中墩結(jié)構(gòu)閘門(mén)孔口下游會(huì)產(chǎn)生順?biāo)鞣较虻牧逊?，裂縫向下游延伸1.5m左右。同時(shí)門(mén)槽與底板交界面處由于應(yīng)力集中，也產(chǎn)生了裂縫?？紤]到裂縫中較高的水壓力有可能進(jìn)一步加劇裂縫的開(kāi)展，有必要在閘門(mén)孔口附近采取適當(dāng)?shù)姆浪胧?/p>

3.2.1分縫的影響

分縫是指進(jìn)水口混凝土結(jié)構(gòu)與巖體相連處(圖1中的0+000.000處)材料的不連續(xù)性?？臻g非線性分析時(shí)，采用子結(jié)構(gòu)技術(shù)將巖體傳遞過(guò)來(lái)的荷載作為力的邊界條件施加在進(jìn)水口結(jié)構(gòu)上。分析表明，分縫對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的影響不大(見(jiàn)表2)。分縫對(duì)于結(jié)構(gòu)位移有一定影響(見(jiàn)表3)，最大位移都發(fā)生在閘門(mén)軌道梁位置。分縫對(duì)于中墩結(jié)構(gòu)的裂縫開(kāi)展規(guī)律的影響也較小。因此，在以下的分析中不考慮分縫的影響。

3.2.2筋率的影響

分析顯示，閘門(mén)孔洞削弱了中墩截面，引起孔口附近的應(yīng)力集中，因此閘門(mén)孔洞附近的配筋對(duì)于結(jié)構(gòu)安全尤為重要。將中墩結(jié)構(gòu)閘門(mén)孔洞下游3m范圍內(nèi)的配筋率取為原配筋方案的75%,25%分別進(jìn)行計(jì)算。分析表明，配筋率的變化對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)有一定影響，對(duì)于結(jié)構(gòu)位移影響不大。值得注意的是，除去閘門(mén)孔洞及其下游3m區(qū)域外，中墩結(jié)構(gòu)其余部分的混凝土最大主應(yīng)力均較小，一般不超過(guò)0.2MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到2.45MPa的混凝土抗拉強(qiáng)度。由按原配筋率和按25%原配筋率計(jì)算的典型截面裂縫分布可知，兩種配筋率情況下裂縫的開(kāi)展規(guī)

律基本相同但后者裂縫洽順?biāo)鞣较虻拈_(kāi)展深度有所增加，從1.5m增加到2.2m;門(mén)槽與底板交界而處的裂縫沒(méi)有繼續(xù)開(kāi)展。以上分析表明，閘門(mén)孔洞附近的配筋方案還需要進(jìn)一步改善，以限制裂縫的開(kāi)展;中墩其余部分的配筋可適當(dāng)減少。

4主要結(jié)論

本文以水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)水口結(jié)構(gòu)為研究分析對(duì)象，采用空間非線性有限元方法進(jìn)行了計(jì)算分析，主要結(jié)論如下:

（1)原有的配筋方案基本能夠滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載力的要求。

(2)分縫對(duì)于中墩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移及裂縫開(kāi)展影響較小，在基本計(jì)算中可以不計(jì)。

(3)中墩結(jié)構(gòu)閘門(mén)孔洞