胡永生 阎红梅(水工设计处)

〔摘要〕小浪底南岸引水口进水塔体型和边界条件受力情况都比较复杂。本文采用三维有限元方法和常规平面框架结构力学方法，对进水塔进行静、动态应力分析，研究塔体在静、荷载作用下其应力、位移和内力的大小及分布规律，并对有限元法和结构力学方法的内力成果进行对比分析，为进水塔结构设计提供可靠依据。

〔关键词〕进水塔 有限元法 结构应力 平面框架 计算分析

    黄河小浪底南岸引水工程是为了解决河南洛阳地区工农业用水及周围地区的农业灌溉用水而修建的水利工程，引水口进水塔是整个南岸引水工程的重要组成部分。南岸引水口为大（2）型引水工程，工程等别为二等，进水塔为 2 级建筑物。进水塔位于小浪底坝址库区内，为引水工程的咽喉，因此进水塔的运用条件要与小浪底的运用条件相适应。

1  塔体结构布置

    进水塔塔身采用矩形断面的箱形结构，顺水方向长33m，塔身最大高度49m，塔体高程253m以下宽15.0m，253m高程以上宽12.0m，塔基面高程上游侧为236m，下游侧为230m，塔顶高程281m。塔体进口设两道主副拦污栅，检修门进口分三级，高程分别为252.00m、246.00m、240.00m。塔内下游侧设有事故闸门，其底板高程为235.00m，为使检修闸门和事故闸门能够安全启闭，在闸室左右两侧内设有平压钢管，并设有阀门和廊道。塔体下部为大体积混凝土结构，并布置大孔口曲线型引水流道，其结构布置型式见图1。

图1 进水塔结构布置图

    进水塔的布置既要满足结构布置的要求，又要满足闸门、启闭机等机电设备布置和运用的要求，同时又要防止泥沙淤积等，保证水流顺畅。由结构布置表明，进水塔体型复杂，截面变化部位多，受力复杂，并且边界条件十分复杂，传统结构力学计算方法难以反映进水塔体型复杂、截面突变、刚度变化以及大孔口等因素对结构性能的影响，因此采用有限元法对进水塔进行结构计算是十分必要的，同时根据有关工程规范、小浪底等工程的设计经验，对进水塔典型断面简化为平面框架进行结构力学计算同样具有参考价值，对两种计算方法的有关结果进行分析对比，使进水塔的结构设计达到安全可靠。

2. 结构计算

2.1平面框架结构计算

2.1.1 计算方法

    结构计算中不计入不平衡剪力的影响，但需要加支承维持平衡，且支承加在起“柱”作用的杆端。

    由于杆件大部分高跨比h/L>1/5，需考虑刚域及剪切变形的影响。刚域选取按我国常规选用方法，即柔性段等于杆件净跨，计算中仅考虑柔性段荷载，刚域段荷载省略。

2.1.2 计算工况

    计算工况：

    工况a：274m设计洪水位关检修门

    工况b：274m设计洪水位关检修门+横水流向地震

    工况c：274m设计洪水位关检修门+顺水流向地震

    对水平塔筒截面的荷载组合为：工况a只考虑静水压力，工况b、工况c考虑静水压力、动水压力地震惯性力。对流道纵断面的计算考虑地基反力（地基反力取用稳定计算中的数值）和扬压力；由于253.00高程下塔架两侧与岩体相靠假定为一体，对流道截面不考虑地震荷载及泥沙压力。

2.1.3 计算成果及其分析

    各典型断面的主要内力成果如表1所示。

表1 典型断面主要控制内力成果表

    结果表明，各塔筒截面（260.00~271.00m水平截面）、流道水平截面、流道纵断面内力值均较小，按构造配筋可满足要求。表中实际配筋是结合了三维有限元计算成果并根据有关工程经验进行综合分析后确定的配筋。

2.2 三维有限元法计算

2.2.1 三维有限元计算模型

    本工程采用有限元前后处理软件ViziCAD的前处理软件模块Super-Draw Ⅱ对进水塔及其周围的地基进行网格剖分，并建立计算模型。利用Decods模块译码形成数据文件，采用国际通用结构分析程序Super-Sap93进行分析计算。动力部分采用拟静力法进行计算。

（1） 单元剖分

    本工程采用空间块体单元对进水塔进行有限元网格剖分，在剖分单元时主要考虑如下几种因素：①复杂的塔体形状、②应力可能产生的较大区域、③荷载能方便施加的部位④设计所控制的部位等。

    计算范围沿塔体上、下游方向各取38.0m，塔体左右两侧各取35.0m，从塔基高程232.0m向下取46.0m。基岩与塔体接触部分，从高程232.0m取至245.0m。基岩与塔体混凝土间作为连续介质体处理，整个塔体及地基共剖分9750个空间块体单元、12380个节点。

    计算时采用右手坐标系，坐标原点在高程240.0m水平截面对称轴上的0-007.2m桩号。X轴为顺水流向指向下游，Y轴为竖直向上，Z轴为横河流向指向右侧。

（2）边界条件

    为了较准确地反映地基对塔体应力的影响，在塔体四周和塔体以下各截取约一倍塔高的基岩与塔体一起进行整体分析。在塔前、塔后及塔左、右侧岩体边界加水平约束，在塔基础底面岩体边界加固定约束。

2.2.2 计算工况和计算荷载

    进水塔在结构计算分析中只考虑库水位275.00m（正常蓄水位），根据闸门的不同启闭情况、不同的地震作用力方向以及是否考虑岩石软化、是否考虑与塔体接触部分的基岩的作用等条件组合成以下六种工况。 工况1：顺水流向地震；工况2：横水流向地震；工况3：顺水流向地震，检修门关闭；工况4：横水流向地震，检修门关闭；工况5：检修门关闭，不考虑从高程232.00m～245.00m与塔体接触部分的基岩；工况6：事故门关闭+不考虑从高程232.00m～245.00m与塔体接触部分的基岩。

    进水塔的主要荷载可分为静荷载和动荷载。其中静荷载包括：塔体自重、静水压力和水重、扬压力、、淤沙压力、风压力、浪压力、设备自重等。动荷载包括：地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力等。

    横向地震荷载作用下，考虑塔体侧面与岩石接触部分可能产生受拉区域，使得塔体与岩石可能分离，对于工况2和工况4，在地震惯性力作用方向相反侧考虑从高程▽240.0m~高程▽245.0m与塔体接触的岩石单元软化。

2.2.4计算结果及其分析

    对于工况1至工况6，采用三维有限元方法计算了每个节点处的应力和位移值，在此介绍部分主要成果。

2.2.4.1 位移计算结果

    进水塔三维有限元计算最大静、动位移见表2。计算结果表明，静荷载作用下进水塔变形不大，并以竖向变形为主，位置在进水塔塔体顶部，顺水流向变形很小，横水流向变形主要发生在工况5（事故门关闭）塔体中部边墩上。最大动位移均发生在入水口塔体顶部，其横向变形为4.506mm，坐标位置为（0,41,-5.5）。结果表明，其位移值均较小，对塔体结构不会带来不利的影响。

表2 进水塔最大静、动位移

2.2.4.2 应力计算结果

    进水塔最大、最小主应力见表3，由计算结果知：①静荷载最大主拉应力发生在工况6，位置在事故门前胸墙247.80 m高程处，σ_1max=1.109Mpa。②动荷载最大主拉应力发生在工况2，位置在检修门第2孔口胸墙顶部与边墩的交界处，σ_1max=1.436Mpa。③最大主压应力发生在245m～247m高程、桩号0+3.0m～0+20.0m、塔外侧面。④地震力对塔体结构本身影响不大，但对塔侧基岩将产生一定的推力，设计中已考虑了侧边基岩的稳定性。

表3 进水塔最大、最小应力（MPa）

2.2.4.3 内力计算结果

    为便于结构力学方法和三维有限元方法成果进行对比分析，将三维有限元成果应力换算成内力，三维有限元方法与由结构力学方法计算的内力成果见表4（仅以高程248.50 m剖面及桩号0+013.20m剖面、计算工况4为例）

    由表4可以看出两种方法计算的内力分布趋势是一致的，但数值相差较大。弯矩值表现为结构力学方法远大于三维有限元方法，轴力值表现为结构力学方法较小于三维有限元方法。这是由于塔体本身处于三维应力状态，而简化为平面杆系计算作了某些假定，因而引起所得内力值有较大差别。在裂缝宽度计算中，用三维有限元方法所换算的内力值进行计算的裂缝宽度均在允许范围内，而用结构力学方法所得的内力值计算裂缝宽度，都大于三维有限元的裂缝宽度值，但通过对钢筋直径或数量的调整，结构力学方法的结构也能使裂缝宽度限制在规范规定的允许范围内。

表4 进水塔内力计算成果

2.2.4.4 结论

    根据三维有限元方法计算结果与结构力学方法的结果对比，可以得出以下结论：

    （1）静荷载作用下，进水塔变形不大，并以竖向变形为主。动荷载作用下，最大动位移发生在塔体顶部上游面，其变形满足结构设计要求。

    （2）最大主拉应力发生在工况２，在结构角缘部位存在局部应力较大情况，在离开角缘部位后应力迅速减小。

    （3）用三维有限元方法与用结构力学方法计算的内力分布趋势是一致的，但结果相差较大，对复杂的进水塔结构配筋除充分考虑两种计算方法的结果进行分析外，还结合有关工程实例分析后确定。

3  结构配筋

    根据结构力学方法计算的内力值按偏心受压构件进行配筋，三维有限元方法求得的应力值按应力图形或换算成内力进行配筋，由计算结果可知，由于用结构力学法计算的弯矩值比用三维有限元法大得多，而用结构力学法计算的轴力值比用三维有限元法较小，因此用结构力学方法计算的配筋量也较多。在实际配筋中充分考虑了三维有限元法及结构力学方法计算的不同特点，对计算的配筋量作以适当调整。另外对高程240～250.50m段以及爬梯井等应力集中部位局部适当增加了配筋量。

返回