张一鸣， 解伟， 蒋逵超， 孙海权

(1.北京勘测设计研究院,北京 100024； 2.华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

沂蒙抽水蓄能电站竖井式进/出水口盖板有限元分析及配筋计算

张一鸣1， 解伟2， 蒋逵超1， 孙海权1

(1.北京勘测设计研究院,北京 100024； 2.华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

竖井式进/出水口施工方便，节约布局，能很好地满足抽水蓄能电站的进/出水要求，是一种值得提倡的进/出水口结构形式。本文依托沂蒙抽水蓄能电站项目的进/出水口设计项目，利用ANSYS有限元分析软件建立了三维进/出水口盖板模型，计算进/出水口盖板的应力状态，根据《水工混凝土结构设计规范(DL/T 5057-2009)》绘制EXCEL表格进行配筋和裂缝验算。验证结果表明，所得计算结果合理可靠。

竖井式进/出水口；有限元；配筋；裂缝

1 工程概况

沂蒙抽水蓄能电站初选装机容量1 200 MW，为一等大(Ⅰ)型工程。电站的下水库位于石岚水库右侧支沟鲁峪沟沟口处，坝址以上流域集水面积2.67 km2。上水库位于刘家寨沟内，坝址集水面积为0.33 km2。枢纽建筑物由上水库、水道系统、下水库、地下厂房系统及地面出线场和开关站等部分组成。上水库采用沥青混凝土面板堆石坝，全库防渗；下水库采用混凝土面板堆石坝，局部防渗；厂房位置采用首部布置方式；输水系统和地下厂房布置在刘家寨沟与鲁峪沟之间的山体内。沂蒙抽水蓄能电站水道系统的主要建筑物包括上水库进/出水口、引水隧洞、引水事故闸门井、压力管道、高压钢岔管、尾水事故闸门室、尾水岔管、尾水调压室、尾水隧洞和下水库进/出水口等。该工程于2015年6月正式开工，电站建成后的输电系统接入山东电网，在电网中担任调峰、填谷、调频、调相以及事故备用任务。

沂蒙抽水蓄能电站上水库靠近南岸的库形狭窄，没有足够位置布置岸边侧式进/出水口，对于上水库进/出水口后接的引水隧洞段，需要穿过上水库大坝的右坝肩，由于侧式进/出水口有防涡梁段、渐变段、闸后方形段，施工较困难，不如井式进/出水口施工安全，且井式进/出水口能更好地满足此段隧洞围岩覆盖厚度的要求。因此，该电站上水库进/出水口采用井式进/出水口，该口由进/出口拦污栅段、垂直喇叭口扩散段、垂直整流段、弯管段和洞身段及闸门井段组成。

上水库2个进/出水口分开平行布置，为钢筋混凝土结构；中心线间距50.0 m；进水口底部平台尺寸32 m×82 m，高程560.3 m；进水口孔口(拦污栅孔口)高3.9 m，宽7.497～8.673 m，底板高程561.6 m。按戈登公式计算出的拦污栅孔口以上最小淹没深度为2.0 m，考虑到一定的安全裕度，进/出水口底板高程取为560.3 m，盖板顶高程567.0 m，低于死水位4.0 m。

文中采用有限元方法对沂蒙进/出水口盖板进行配筋计算，通过ANSYS大型通用软件建立空间进/出水口盖板模型，施加荷载和边界条件，计算得出其应力图形，根据应力图形计算受拉、受压截面内力，进而计算钢筋截面面积，然后选配钢筋；并通过裂缝计算得到调整钢筋的选配结果，该结果为沂蒙抽水蓄能电站的技术施工提供参考。

2 进/出水口盖板模型

盖板厚1.0 m，半径约14.4 m，支撑在10个分流墩上。采用SOLID 65单元建立模型并划分网格[1-2]，节点69 867个，单元60 200个，井式进/出水口顶部盖板和分流墩的三维有限元模型如图1所示。分流墩底部采用固定边界、全约束，其余面均为自由面。盖板受力包括自重、水压力、施工荷载和雪荷载，见表1。

图1 进/出水口盖板的三维有限元模型

荷载自重水压力施工荷载雪荷载值/(kN/m3)259．81100．4方向竖直向下竖直向上竖直向下竖直向下

计算分两种工况：工况一，施工工况，主要考虑自重、施工荷载、雪荷载；工况二，运行工况，主要考虑自重和水压力。两种工况下自重是恒力，方向竖直向下，恒力是此结构的主要荷载。施工工况时的施工荷载和雪荷载的方向也是竖直向下，运行工况时的水压力是竖直向上的。即运行工况比施工工况荷载简单，所以按施工工况计算盖板的应力分布情况，依据该应力结果得到的配筋分布即可以满足规范要求。

对进/出水口盖板模型的表面施加向下的均布荷载，根据《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057—2009)，取其结构系数为1.2。对于荷载作用分项系数：自重的结构系数取1.05， 施工荷载和雪

荷载的结构系数取1.2[3-4]。荷载施加情况如图2所示。

图2 设计荷载和标准荷载分布(单位：mm)

3 有限元分析

由于一般配筋计算都在二维空间进行，所以在三维模型中寻找一个竖向剖面，根据非线性有限元计算的应力结果，求得该剖面的最大、最小应力，结果如图3所示，截取应力最大值所在截面的应力结果和配筋选取截面，如图4所示。

图3 S1应力结果(单位：MPa)

图4 配筋选取截面

将应力转化为内力进行配筋计算，其方法如下：根据X向应力图， 在最大、最小应力对应节点处，找到顶板顶、底面对应节点，将应力线性化，当应力图形接近直线时，可以简化为直线，求出内力，根据内力情况计算配筋数。根据应力图形求内力公式为：

Rmax=N/A+M/W，

(1)

Rmin=N/A-M/W。

(2)

式中：Rmax、Rmin分别为截面最大和最小应力，可以从应力图上查到；N为截面轴力；M为截面弯矩；W为截面抗弯模量。

由图3可以看出，进出水口盖板整体应力水平不高，大部分区域应力小于1.0 MPa，局部地区第1主应力较大，最大第1主应力为2.2 MPa，最小第1主应力为-1.15 MPa。最大应力出现在板的近似跨中，为受拉单元。由于中间板厚有所增加，最大应力分布在板厚相对比较薄的A—A截面(图5)和C—C截面(图6)处。由于支座影响，盖板在B—B截面(图5)处产生负弯矩，此处第1主应力值较大，且此处板底出现最小应力，为受压单元，此规律完全符合材料力学中平面情况的板的受力特点[5]，取此截面进行配筋分析。为了计算配筋，取A—A和C—C截面计算板底配筋，取B—B截面计算板的上层配筋。

图5 A—A、B—B截面应力图(单位：MPa)

图6 C—C截面应力图(单位：MPa)

图7 A—A截面应力线性化图

图8 B—B截面应力线性化图

图9 C—C截面应力线性化图

各截面内力按照式(1)和(2)进行应力线性化，转化为弯矩轴力，计算结果见表2。

表2 截面应力转化为弯矩轴力结果

4 配筋计算

根据内力结果计算受拉和受压钢筋面积，然后选配钢筋；根据选配钢筋结果，如果该配筋率小于最小配筋率，则根据最小配筋率选配钢筋。配筋计算结果见表3—5。表中γd为结构重要性系数，γ0N为拉力设计值，d1为受拉区钢筋直径，d2为受压区钢筋直径，h1为按受拉区钢筋算的截面有效高度，e为按受拉区钢筋算的偏心距，e′为按受压区钢筋算的偏心距，ρmin为最小配筋率，b为截面宽度，a0为保护层厚度，fy为钢筋抗拉强度设计值，a为受拉区钢筋合力点至受拉区边缘的距离，a′为受压区钢筋合力点至受压区边缘的距离，h2为按受压区钢筋算的截面有效高度，As为受拉区钢筋计算面积，A′s为受压区钢筋计算面积，Amin为最小配筋面积。

表3 A—A截面配筋结果

表4 B—B截面配筋结果

表5 C—C截面配筋结果

此时，顶板上层可配5根直径28 mm筋，下层5根直径28 mm的钢筋。A—A、C—C截面控制板的下层配筋，B—B截面控制板的上层配筋均为1 m长内配筋，钢筋间距200 mm，据此结果进行限裂验算。按标准组合并考虑长期作用影响的裂缝开展宽度wmax按下式进行验算[6]，

(3)

(4)

(5)

由于钢筋和混凝土的材料现场已经选好，ftk、es为常数，As、c、b、ν、σ0为定值。从式(3)—(5)可以看出，配筋直径和截面宽度内配的钢筋个数为裂缝宽度的控制因素，按200 mm配筋间距和减小裂缝开展宽度的原则只能通过增加钢筋直径来控制裂纹开展宽度。

荷载按标准值输入计算裂缝开展情况，取承载能力极限状态下选取的截面A—A、B—B、C—C进行计算，线性化计算结果见表6—9。

表6 A—A截面裂缝验算结果

表7 A—A截面增大配筋直径后的裂缝验算结果

表8 B—B截面裂缝验算结果

由表6知，A—A截面的wmax>0.25 mm，需加大配筋面积，下层选用5根直径32 mm的钢筋验算。由表7知，当A—A截面加大配筋直径后wmax<0.25 mm,裂缝满足要求。由表8知，B—B截面的wmax<0.25 mm,裂缝满足规范要求[3]。

表9 C—C截面裂缝验算结果

由表9知，C—C截面的wmax<0.25 mm,裂纹满足规范要求。因此，顶板上层选用5根直径28 mm的钢筋，下层选用5根直径32 mm的钢筋，裂缝宽度满足规范要求[3]。

5 结语

本文以沂蒙抽水蓄能电站竖井式进/出水口盖板配筋为例，应用ANSYS软件建立模型，并计算变形和应力状态，结果正确反应进/出水口的应力状态，为结构设计提供可靠依据。编制的配筋EXCEL表格，有效提高了工作效率，简化了计算，配筋结果与其他类似项目的实际结果相吻合，符合一般工程经验。文中的计算方法为类似工程的配筋计算提供参考。

[1]杨金源.基于三维有限元分析的厂房结构配筋和裂缝宽度设计[J].人民珠江，2011(5):12-15.

[2]任祎，傅志浩，陈俊涛.基于ANSYS的地下厂房机墩组合结构分析及配筋程序[J].中国农村水利水电，2006(7)；69-71.

[3]中国建筑科学研究院.建筑结构荷载规范：GB 50009—2012[S].南京：江苏人民出版社，2012.

[4]电力工业部中南勘测设计研究院,水工建筑物荷载设计规范：DL/T 5077—1997[S].北京：中国电力出版社，1997.

[5]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学(Ⅰ)[M].4版.北京：高等教育出版社,2002.

[6]长江勘测规划设计研究院.水工混凝土结构设计规范：DL/T 5057—2009 [S].北京：中国水利水电出版社，2009.

(责任编辑：杜明侠)

Finite Element Analysis and Reinforcement Calculation on Shaft Type Inlet/Outlet Cover of Yimeng Pumped-storage Power Station

ZHANG Yiming1, XIE Wei2, JIANG Kuichao1, SUN Haiquan1

(1.Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China; (2.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The shaft type inlet/outlet deserves recommendation with convenient construction, economical layout and meeting the requirement of inlet/outlet of the pumped-storage power station. This paper established the model of shaft inlet/outlet cover using the finite element analysis software ANSYS based on the design of inlet/outlet of Yimeng pumped-storage power station, and calculated the stress state of the cover, then calculated the reinforcement and checked cracks by drawing EXCEL tables according toHydraulicConcreteStructureDesignCriterion(DL/T 5057—2009). The results have been approved to be reasonable and reliable.

shaft type inlet/outlet; finite element analysis; reinforcement calculation; crack checking

2016-09-30

张一鸣(1983—)，女，河南开封人，工程师，硕士，主要从事水工结构方面的研究。E-mail:187334466@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.015

TV743;TV13

A

1002-5634(2016)06-0083-06