引水隧洞钢筋混凝土岔管结构特性分析与配筋优化.pdf

研管理 水利规划与设计 2 0 1 4年第 l 期 引水隧洞钢筋混凝土岔管 结构特性分析与配筋优化 曲磊 ( 辽宁省水利水 电科学研究院 辽宁沈阳 1 1 0 0 0 3 ) 【 摘要 】 结合某抽水蓄能电站钢筋混凝土岔管结构工程实例 ，运用 a n s y s大型有限元软件为平 台，进行 三维数值仿真模拟 ，对 岔管的结构特性进行 了分析 。结果显示，岔管岔角处应力集 中现象明显 ，在水压力 作用下岔腰 出现最大应力，根据得到的应力结果对截面进行配筋， 可以定量化地指导和优化工程设计 。 【 关键词】 钢筋混凝土岔管有限元分析 结构特性衬砌 【 D O I编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 - 2 4 6 9 2 0 1 4 0 1 0 2 2 【 中图分类 号】T V 3 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9( 2 0 1 4 )O 1 0 0 6 5 0 4 埋 藏 式钢 筋混 凝土 岔管 结构 是 一种 复杂 的 空间结构 。 传 统 的水工遂洞 设计方法是按照 结构 力学理论 ，视衬 砌为承载主体 ，围岩则作为荷载 或者仅提供被 动抗力施加 到衬 砌上 ， 没有利用 围 岩的承载作用 。 事实上围岩承载潜力巨大，是承 载的主体 ，而衬 砌则仅作 为保护 围岩 ，改善过 流 糙率， 以及承载局部不稳定块体和破碎岩体荷载 等 目的而采取 的工程措施 。 由于岔管 结构属于体型 复杂， 对 安全性要求 较 高的结构物 ，通 常对其进行有 限元分析 。本文 根据 相关资料 ， 运用 大型有 限元分析 软件对某水 库工程的发电引水隧洞的岔管部分进行 了三维 有 限元分析 ，对 岔管的结构特性进行 了研究 。 管衬后直径 为 3 8 m ，衬砌厚度 为 0 8 1 0 m 。岔 管为 Y型分 岔 ，分岔角为 4 O 。 岔管采用的混凝土强度等级为 C 2 5 ， 钢筋用 I I 级钢 。岔管 处围岩为 I I I 类 。衬砌顶 拱回填 灌浆压力取 0 3 M P a 。 表 1 水库特征水位 特 征 水 位 水 位 高 程( 皿 ) 死水位 1 8 0 0 正常蓄水位 2 0 8 0 发电校核水位 2 l 1 | 5 8 库水位 2 3 4 5 1 工程概况 2 岔管空间有限元模型 的建立 某 水 电站按 1 0 0年 一遇 洪水设计 ，5 0 0 0年 一 遇 洪水校核 。水库汛期 限制水位 2 0 5 O m ，汛 后正 常蓄水位 2 0 8 O m ，死水位 1 8 0 O m 。最高发 电水位 2 1 1 5 8 m ，水库特征水位见表 1 。工程区 地震基本烈度为度。 水库工程的发 电引水隧洞由进水口、上平 洞、调压井 、斜井 、下平洞 、岔洞 以及两条支 洞 组成。 发电引水隧洞的岔管部分， 为钢筋混凝土 衬砌。主管衬后直径 6 m ，衬砌厚度为 1 0 m 。支 2 1 有限元计算软件 计 算 软件 采用 具有 世界 先进 水平 的大 型通 用有 限元 分析软件 A N S Y S 9 0 。该分析软件有 强 大的前、 后处理和计算分析功能，并且能有效地 保证计算成果精度。 该软件曾完成多项工程的结 构分析研究工作，均取得了理想的应用效果。 2 2 岔管结构尺寸 作者简介：曲磊 ( 1 9 7 9年一 ) ，男，工程师。 6 5 科研管理 水利规划与设计 2 0 l 生箍 岔管结构尺寸 见图1 。 图 1 引水隧洞平面图 2 3 计算范 围 对埋藏式钢筋混凝土岔管进行有 限元分析 时， 由于受到网格划分密度 以及计算机容量的限 制 ，在尽量满足计算精度 的前提下 ，要采用较 小 的范 围。 常规 的遂洞计 算在弹性力学里属于无 限 大弹性体 的中央孔 口问题 。 通常情况下 围岩 的计 算范 围为孔径 的 5倍左右 。因此 ，以岔管主 管轴 线为 中心线 ， 上下、 左右各取 1 5 m作为分析范 围。 2 4 基本假定和边 界条件 计算段 围岩 、 混凝 土结构等均近似假 定为各 向同性 、均匀 连续的弹性体 。离散域下岩石外边 界设置三 向约束 。 2 5有限元网格离散 采用空间有限元进行电算 ( 线弹性) 。为了 保证模型与真实结构的相似性， 建模采用三维实 体建模， 围岩和衬砌均采用 6 面体 8 节点等参单 元进行模拟 。 对 建立 的三维实体模型进 行有限元 离散， 共得到 7 0 2 2 0 个单元。 有限元模型如图2 3所 示 。 2 6 计算坐标系约定 为了便于建模和成果整理， 计算中采用整体 直角 坐标系和局部坐标系 ，现分 别约定如下 ： 整 体直角坐标系 ： 坐标 原点定在支 管端面与 其轴 线的交点上 ，水平方 向为 X轴 ，竖直方 向为 Y轴 ，支管逆水流方 向为 Z轴 。 局部坐标系 ：局部坐标系采 用柱坐标系 ，柱 66 坐标系 的 X方 向指 向径 向，Y方 向指 向环 向。 图 2 围岩及岔管模型剖面图 图 3 岔管模型图 3 有限元计算结果分析 考虑五种荷载组合进行 电算 ， 得 出岔管在五 种工况下 的应力和应变分布 。 本文给 出了岔管典 型截面 II、 I I 一和一 1 I( 如 图 4所 示 )在 五种工况下 的应力和应变分布 图。 图 4典型截面位置分布图 3 1 各工况组合情况 根 据水 库在 不 同水 位情 况下 的控 制运 用情 况 ，给 出五种荷载组 合见表 2 。 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1期 表 2 各工 况组 合表 工况组合 正常蓄水位 发电库水位 校核水位 水锤压力 外水压力 村砌 自重 围岩压力和抗力 灌浆压力 运行期 ( 基本) 检修期 ( 基本) 运行期 ( 特殊) 施工期 ( 特殊 ) 库水位 ( 特殊 ) 3 2 各工况计算结果分析 工 况 一 ： 岔 管 主 管 环 向 应 力 为0 5 4 1 3 9 M P a之间 ，支管 0 3 2 6 6 M P a之 间。应 力 较 大值 出现在 两支管相交部 位 ，较 大值 5 3 M p a ， 为应力集中值 。 工况二 ： 岔管环 向应力 为一 2 5 M P a - - 1 O M P a 之间。 压应力较大值出现在两支管相交部位顶端 内部，大小为- 4 7 M p a ，拉应力较大值出现在两 支管相交 部位顶端 外部 ，大 小为 0 5 M p a ，均 为 应力集中值。 工况三 ：岔管主管环 向应 力为 0 5 1 3 M P a 之 间。支 管 0 6 4 2 M P a之 间，应力较大 值 出现 在两支管相交部位，5 O M p a ，为应力集中值 。 工况 四： 岔管环 向应 力为一 1 2 8 M P a 1 O M P a 之 间 。 压应力较大值 出现 在两支管相交 部位 顶端 内部 ，大 小为一 1 2 8 M p a ，拉应力较大值 出现在 两 支 管相交部位顶 端外部 ，大小为 1 O M p a ，均 为 应 力集 中值 。 工况五 ： 岔管主管环 向应 力为 0 5 8 1 5 M P a 之 间，支管 0 6 3 O M P a之间 。应力较 大值 出现 在支管平面部分向圆弧部分过渡区域， 以及两支 管相 交部位 。 3 3衬砌各典型 断面 内力分析 有压隧洞内水压力对衬砌的内力影响最大。 当岔管在工况五下 ，承 受的 内水压力最大 ，因此 选取 工况五为控制 工况 。 根据有 限元计算 结果得 此 工况下岔管各 断面 内力值如表 3所 示： 表 3岔管各截面内力值 岔管部位 截面 环 向应力值 o( M P a ) 弯矩 M ( 1 【 N ) 轴力 N ( 1【 N ) 0 O 9 0 1 5 0 O 0 9 0 0 O 0 4 0 9 3 1 5 5 5 0 9 3 3 O 0 主管 2 1 0 7 1 7 8 3 3 1 0 7 0 O 0 3 4 0 9 6 1 6 0 O 0 9 6 0 O 0 O 9 O 1 5 0 O 0 9 0 0 O 0 0 O 8 4 1 2 9 0 2 8 0 6 4 0 n 4 l _ 2 2 1 8 7 3 9 1 1 7 1 2 0 n 2 l _ 2 5 1 9 2 O 0 1 2 0 0 O 0 3 4 1 2 2 1 8 7 3 9 1 1 7 1 2 0 支管 n 0 9 0 1 3 8 2 4 8 6 4 O 0 5 4 1 5 0 2 3 0 4 0 1 4 4 0 O 0 3 2 l _ 9 0 2 9 1 8 4 1 8 2 4 O 0 7 4 1 O 1 1 5 5 1 4 9 6 9 6 0 0 0 6 5 7 6 4 4 5 4 6 O 0 4 1 0 9 1 2 8 1 8 9 1 5 6 0 主、支管 n 2 1 1 7 1 3 7 5 9 9 8 2 8 0 结合部 3 4 1 0 5 1 2 3 4 8 8 8 2 O 0 O 6 2 7 2 9 1 5 2 0 8 0 注： 1 、衰 3中所示 0 截面为 Y Z坐标平面与岔管底部所交截面，表中所示夹角为 0断面与各断面沿逆时针方向夹角 2 、主支管渐变部为圈4所示岔管一截面与一 截面之间部分； 3 、表 3 中应力均为各断面平均环向应力。 6 7 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1 期 3 4 围岩 特性模量对岔管衬砌应 力的影响 控制 工况下 ( 工况五 )分别取 围岩弹性模量 为1 91 0 1 0 P a 、2 1 5 X 1 0 1 0 P a 、2 4 X 1 0 1 0 P a 时，对 岔管和衬砌进行计算 ，分析 围岩弹性模量 对衬砌 应力的影响 。 不 同围岩弹模 下岔管各控制 断面环 向应力值如表 4 ，图 5所示 ： 表 4 不同围岩弹模下岔管各控制断面环向应力值 岔管部位 ( 截面) 弹性模量 主管( 2 ) 支管( 3 2 ) 主支管结合部( n 2 ) 1 9 0 L 1 4 1 9 9 1 _ 2 5 2 1 5 L 0 7 1 9 0 1 1 7 2 4 O 1 O 2 1 8 4 1 1 2 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 23 2 4 2 5 围岩 弹 性 模 量( GPa ) 图 5 不同围岩弹模对岔管环向应力的影响 3 5 岔管配筋分析 ( 1 )工况五下，根据有限元计算 内力结果 对 岔管混凝土衬砌进行双层对称 配筋 ， 按混凝土 未出现裂缝进行。配筋主管、支管、主支管结合 部取 内力最大断面 2 、3 2 、 2 断面，即 水平 断面为控制断面 。根据下式 一 Np=p 】 ： ： 二 ! 0 0 1 E +K0 ( 1 + ) ( 1 2 ) 6 8 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 计算得 ： 主管配筋率 ： = 0 4 2 支管配筋率 ： = 0 2 8 主支管结合部配筋率 ： l l = O 3 7 ( 2 )工况五下 ，根据 水工钢筋混凝土 结 构设计规范 ( S L T 1 9 1 9 6 )中的拉应 力图性配 筋方法进行配筋。配筋主管、支管、主支管结合 部取环 向力最大 断面 2 、3 2 、 n 2断面 ， 即水平 断面 为控制 断面 。根据 式 ( 4 ) 1 、 T 6 十 A J Y d ( 4 ) 计算得 ： 主管配筋率：u= 0 4 2 支管配筋率 ： u= 0 7 5 主支管结合部配筋率：u= 0 4 5 综合 1 、2计算结果 ，建议主管配筋率可取 u= O 4 2 ， 支 管配筋率 u= 0 7 5 ，主支管结合部 配筋 率 u= 0 4 5 。 4 结论 ( 1 ) 岔管是典型 的复杂 空间结构 ， 必须通过 三维有限元分析才能对地下钢筋混凝土岔管的 应力状态和 工作性能作 出较为正确 、 全面 的认识 和判 断。本研 究通过对 岔管进行有 限元分析 ，根 据得 到的应 力结果对截面进行配筋 ， 更可 以定量 化地指 导和优化 工程设计 。 ( 2 )对有 限元 分析结果进行分析 发现 ，几 种工况下在岔管分岔角处的应力值都比较大， 存 在着 明显 的应 力集 中现象 。所 以在设计 和施 工 时 ，应对岔管分 岔角进行修 圆处理，缓解应 力集 中现象 。 ( 3 )在 内水作用 下衬 砌全截面受拉 ，衬砌 内壁 的拉应力大于外壁 的拉应力 。 衬砌 的最大拉 应力均出现在管腰水平位置处。 ( 4 )在外水作用下， 岔管衬砌 中各个截面 的环 向应力 多为压 应力 ，砌 内的最 大压应 力也 出现在管腰水平位置处。 衬砌内壁的压应力大于 外壁的压应力，小于混凝土 的抗压设计强度 。因此 在进行放空检修时，岔管不会出现受压破坏现象 。 ( 5 )随着围岩弹性模量的增大，围岩对岔 管的约束也随着增强， 围岩的弹性抗力增加。 在 内水、外水压力作用下，衬砌的 ( 下转第 7 4页 ) = 舱 ” 他 一 v R毯足 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 l 消除温度应力 的影 响，在适 当位置 安装 必要的伸 缩接头 。 由于 G I S设备较重 ，断路 器合 闸时冲击力较 大 ，故要求地基无 不均匀沉 陷，地面水平误差不 超过 5 m m 。 因宣威地区在冬季环境温度低于一 2 0 。c ，为 防止 S F 6气体低温液化 ，设置 电阻加温装置 。 电工建筑物 、构筑物布置首先要满足 电气 主 接线的要求，为安全生产、方便管理创造条件。 根 据机 组 的布 置特 点， 并 按照机 电设备运 行 维 护方便 ， 主 、副厂房 电气设备 与主变 压器室 、 G I S 设备室等位 置相对合 理的原则进行布置 。结合地 形地质 ，在保证安全 间距 的条件 下减少开挖 ，力 争做到布置 紧凑合 理，节约用地 。 4 参数选择 ( 1 )基本技术参数 最 高工作 电压 ：2 5 2 k V 额 定 电压 ：2 2 0 k V 额 定 电流 ：3 1 5 0 A 母线 额定 电流 ：3 1 5 0 A 4 s热 稳定 电流 ：5 0 k A 极限通过 电流 ：1 2 5 k A 额定关合 电流 ：1 2 5 k A 2 O 。 C时额定 S F 6气压 ： 断路器室 ：0 6 5 M p a 其余气室 ：0 3 M p a ( 2 )全封 闭组合 电器绝缘水平 额定 i m i n工频耐受 电压 ( 有效值 ) ： ( 上接第 6 8 页 )应力和变形，均相应减小。 ( 6 ) 为加强围岩与衬砌的共同作用，需对围 岩进行回填灌浆和高压固结灌浆 ，充分利用围 岩和混凝土衬砌联合作用抵御 内水压力和外水 压力，节省工程造价，获得更大经济效益。 参考文献 1 王志祥， 梁志钊， 孙国模， 等管道应力分析与计算 M 北 京：水利电力出版社， 1 9 8 3 2 D L T 5 1 9 5 2 0 0 4 ，水 工隧洞 设计规 范 3 田斌， 刘启钊大型地下钢筋混凝土岔管工作性态研究 J 武汉水利电力大学学报。 1 9 9 8 ， ( 2 ) ： 6 1 2 7 4 相 间，相对地 ：4 6 0 k V 断 口间：4 6 0 + 1 4 5 k V 额定雷 电冲击耐 受电压 ( 峰值 ) ： 相 间，相对地 ：1 0 5 0 k V 断 口间：1 0 5 0 + 2 0 0 k Y 局 部放 电：每个 浇注 绝缘 子放 电量相 地 不大 于 I O K V 5 结束语 由于地理环境条件 的限制 ， 要求万家 口子水 电站枢纽总体布置紧凑 ，尽量 减少开挖 ，设计人 员要精心设计，结合电气主接线的确定，2 2 0 k V 升压站 电气设 备 的方 案选 择和 电站 电气 设备 布 置要综合考虑多方面 因素 。S F 6全封 闭组合 电器 ( G I S ) 可靠性高 ，运行维护量 小 ，占用面 积和空 间小 ，环境保护好 。该 电站设计 己通过云南 电网 公 司计划 发展 部 的审查 ，现在 进入 施 工设计 阶 段 。 参考文献 1 卓乐友 电力工程电气设计 2 0 0例 北京： 中国电力出版 社 2 0 0 4年 2 西北 电力设计院编 电力工程电气 设计手册 北 京： 中国电 力出版社 1 9 8 9 年 3 水电站机电设计手册编写组 水电站机电设计手册 ( 电气一 次 ) 北京 ： 水利 电力出版社 1 9 8 2 4 万千云， 梁惠盈， 齐立新 等 电力系统运行实用技术问答 ( 第 二版) 北京： 中国电力出版社 2 0 0 5 韩前龙， 伍鹤皋， 苏凯， 等地下钢筋混凝土岔管应力分析 J 武汉大学学报( 工学版) ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 3 ) ： 3 1 3 5 苏凯水工隧洞钢筋混凝土村砌非线性有限元分析岩石力 学， 2 0 0 5 。 2 6 ( 9 ) ： 1 4 8 5 1 4 9 0 韩华超长甸水电站钢筋混凝土岔管三维有限元分析 J 东 北水利水电， 2 0 0 4 ， ( 1 0 ) ： 7 - 1 0 邓柏旺地下钢筋混凝土高压岔管围岩稳定与村砌结构分析 D 南京： 河海大学， 2 0 0 7 胡建兰， 杨庆， 马文亮， 等水电站钢筋混凝土岔管结构受力分 析 J 人民黄河， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 6 ) ： 7 5 7 7 任旭华， 徐海奔， 束加庆 地下水工隧洞围岩及钢筋混凝土岔 管 结 构 数 值 分 析 J 四川 大 学 学 报 ： 工 程 科 学 版， 2 0 0 9 ， 4 1 ( 4 ) ： 8 1 3 4 5 6 7 8 9