基于ABAQUS模擬的消力池邊墻加固方案優(yōu)化

馬志軍，李曉慶，俞 偉

（1.新疆伊犁州水利電力勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆伊寧，835000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

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基于ABAQUS模擬的消力池邊墻加固方案優(yōu)化

馬志軍1，李曉慶2，俞 偉2

（1.新疆伊犁州水利電力勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆伊寧，835000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

以新疆齊古水庫導(dǎo)流洞后消力池高、薄擋土墻為研究對(duì)象，借助ABAQUS軟件對(duì)其加固方案進(jìn)行有限元分析和比選，得到最優(yōu)的拉桿布置形式。分析結(jié)果表明：消力池大部分部位為受壓狀態(tài)，局部拉應(yīng)力區(qū)控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，拉桿支撐后結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻，變形量不大，滿足設(shè)計(jì)要求，為解決實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)加固問題提供了參考依據(jù)。

消力池；拉桿；擋土墻；拉應(yīng)力；有限元分析

消力池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對(duì)水利工程安全運(yùn)行影響重大。受消能效能需要、地形地質(zhì)條件限制，往往需要修建高而截面尺寸相對(duì)較薄的擋土墻，這類高、薄擋土墻將帶來一定的安全隱患，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。由于加固形式、結(jié)構(gòu)空間布置可選擇余地較大，若采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，計(jì)算工作繁瑣，工作量大?；诖?，借助通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核及加固方案比選，并為其配置鋼筋和抗剪、抗裂驗(yàn)算提供計(jì)算依據(jù)。

1　工程概況

新疆齊古水庫工程導(dǎo)流洞后消力池為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池寬12.5 m，擋土墻高17.5 m，消力池最高水位975.83 m，對(duì)應(yīng)池內(nèi)水深11.83 m，其橫斷面如圖1所示。擋土墻內(nèi)側(cè)直立，墻體外側(cè)左側(cè)為直壁擋墻，墻后為泥巖，開挖呈陡壁；右側(cè)為斜壁擋墻，墻后回填砂礫石，坡度1∶1.5。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)與原勘察情況有較大出入，并受工期限制，消力池池深較原設(shè)計(jì)有所增加，設(shè)計(jì)變更為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)尺寸，考慮在后期進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。

圖1　消力池結(jié)構(gòu)橫斷面圖Fig.1 Cross sectional view of the structure of stilling basin

2　ABAQUS計(jì)算模型參數(shù)及計(jì)算方法

消力池結(jié)構(gòu)所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。地基為泥巖，承載力280 kPa，右側(cè)擋土墻墻背回填料為砂礫石，承載力250 kPa。各種材料的物理性能指標(biāo)見表1。

表1　材料物理性能指標(biāo)參數(shù)Table 1 Physical properties of the material

選用承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行應(yīng)力校核，根據(jù)SL/T 191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］規(guī)定，結(jié)構(gòu)系數(shù)γd=1.2，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0= 1.0，設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ=1.0。材料的設(shè)計(jì)值以及結(jié)構(gòu)變形限定值確定如下：混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（C30）ft=Smax=1.50 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=Smin= 15 MPa，抗裂強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Rf=1.90 MPa，混凝土的最大裂縫寬度限值ωlim=0.25 mm，受力鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=360 N/mm2，受彎構(gòu)件的允許撓度設(shè)計(jì)值為：Umax=L0/500=12.5/500 m=0.025 m=2.5 cm。

3　基于ABAQUS模擬的擋土墻加固方案比選

采用有限元軟件ABAQUS對(duì)消力池?fù)跬翂Y(jié)構(gòu)采用有橫向支撐的拉桿措施進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核及加固方案比選。消力池?fù)跬翂?nèi)力計(jì)算選擇了兩個(gè)工作狀況進(jìn)行，一是消力池?zé)o水工況，二是有水工況（池內(nèi)水位11.83 m）。

3.1未設(shè)加固措施前消力池結(jié)構(gòu)校核

3.1.1消力池?fù)鯄ξ灰菩：?/p>

鑒于消力池?fù)跬翂Ω叨容^大，首先對(duì)其側(cè)向位移（撓度）進(jìn)行復(fù)核，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值出現(xiàn)在無水工況下，位于右側(cè)擋墻頂部，位移值為0.76 cm＜2.5 cm，方向指向左，此位移變形將不影響墻后的土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［2］。

3.1.2消力池各截面應(yīng)力校核

在ABAQUS軟件計(jì)算模型中，在消力池邊墻、底板設(shè)置了7個(gè)控制性截面進(jìn)行監(jiān)測(cè)（8-8、9-9、10-10截面為設(shè)置拉桿加固時(shí)的監(jiān)測(cè)截面），各截面位置如圖1所示。在兩種工況下結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的應(yīng)力分布情況見圖2。由于結(jié)構(gòu)各部分壓應(yīng)力值較混凝土抗壓強(qiáng)度值低一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此對(duì)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力區(qū)進(jìn)行了重點(diǎn)考察，結(jié)果見表2。

圖2　未設(shè)加固措施消力池結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖（單位：Pa）Fig.2 Stress distribution of the structure of stilling basin without strengthening measures（Unit：Pa）

無水工況下：消力池構(gòu)件拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在消力池底板7-7截面下側(cè)，為1.88 MPa＞1.5 MPa，意味著該處素混凝土將發(fā)生拉應(yīng)力破壞［3］，需要配置鋼筋來改善此處混凝土的受力條件。同時(shí)右側(cè)擋墻3-3截面斜墻底部外側(cè)也是受拉區(qū)，拉應(yīng)力1.68 MPa，也大于1.50 MPa。

表2　未設(shè)加固措施前消力池各截面的拉應(yīng)力值及分布情況Table 2 Distribution and value of the stress on sections of the stilling basin without strengthening measures

有水工況下：消力池結(jié)構(gòu)各部位拉應(yīng)力情況有所改善，拉應(yīng)力區(qū)主要位于消力池底板右端上側(cè)部位，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在消力池底板7-7截面下側(cè)，為0.40 MPa，小于1.50 MPa，不會(huì)發(fā)生拉應(yīng)力破壞。

3.2消力池?fù)鯄庸谭桨副冗x

根據(jù)已建成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參考渡槽施工的經(jīng)驗(yàn)和渡槽設(shè)計(jì)［4］的思路，對(duì)消力池?fù)跬翂Y(jié)構(gòu)采用有橫向支撐的拉桿措施進(jìn)行加固，優(yōu)化方案中對(duì)拉桿的空間布置、截面尺寸均進(jìn)行了比選，受篇幅限制，僅對(duì)特定拉桿截面尺寸下不同間距的方案比選過程進(jìn)行分析。

消力池計(jì)算長(zhǎng)度為11 m，采用深梁結(jié)構(gòu)作為拉桿支撐兩側(cè)邊墻，拉桿截面尺寸0.4 m×1.0 m，分別選擇布設(shè)3根、4根及5根拉桿作為比選方案。并在消力池結(jié)構(gòu)原控制截面基礎(chǔ)上增加3個(gè)監(jiān)測(cè)截面，均設(shè)置于拉桿上，如圖1所示。3個(gè)方案消力池各截面最大主應(yīng)力分析成果列于表3。

設(shè)置拉桿后，由表3可知：無水工況下，消力池底板7-7截面、邊墻3-3截面拉應(yīng)力區(qū)受力條件得到較大改善，整個(gè)消力池底板和邊墻應(yīng)力分布趨于均勻，最大拉應(yīng)力發(fā)生在4-4截面處，具有明顯的應(yīng)力集中特征，其值接近于1.50 MPa。有水工況下，消力池結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布均勻，拉應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移到了拉桿上，拉應(yīng)力分布在整個(gè)拉桿長(zhǎng)度上，上、下側(cè)數(shù)值均在1.50 MPa附近，需配置鋼筋。

表3　消力池拉桿布置方案的最大主應(yīng)力值及其分布情況Table 3 Distribution and value of the maximum principal stress in the solution with tie bars

通過對(duì)比可知，3個(gè)方案中各截面應(yīng)力水平各截面應(yīng)力水平差別不大，考慮加固工程量因素，若采用拉桿加固措施，推薦方案1（設(shè)3根拉桿）。

3.3推薦方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

方案1消力池結(jié)構(gòu)及拉桿各部位在兩種計(jì)算工況下的應(yīng)力分布情況見圖3，控制性截面的拉應(yīng)力值及作用位置見表4。

消力池?fù)跬翂Π捶桨?進(jìn)行加固后，無水工況下，消力池3-3截面底側(cè)的拉應(yīng)力由加固前的1.68 MPa減小到0.58 MPa，7-7截面下側(cè)的拉應(yīng)力由加固前的1.88 MPa減小到0.95 MPa，受拉桿的支撐作用，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到斜墻上部4-4斷面。有水工況下，受拉桿的拉力作用，消力池7-7截面上側(cè)的拉應(yīng)力由加固前的0.40 MPa減小到0.16 MPa?？梢娤鄬?duì)于加固前，消力池結(jié)構(gòu)在設(shè)置拉桿后受力條件大為改善。

由于拉桿受拉區(qū)的應(yīng)力都在1.50 MPa附近，需要為拉桿配置鋼筋，利用計(jì)算出來的截面應(yīng)力，反求截面彎矩、軸力及剪力，消力池各截面的內(nèi)力計(jì)算值如表5所示。利用內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可進(jìn)行配筋計(jì)算［5］。

圖3　設(shè)拉桿時(shí)消力池結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖（單位：Pa）Fig.3 Stress distribution of the structure of stilling basin with tie bars（Unit：Pa）

表4　消力池控制性截面的拉應(yīng)力值及其分布情況（方案1）Table 4 Distribution and value of tensile stress on the controlled cross sections of stilling basin（Solution 1）

表5　拉桿控制性截面的內(nèi)力值及其分布（方案1）Table 5 Distribution and value of the internal force on controlled cross sections of tie bars（Solution 1）

4　結(jié)語

借助ABAQUS軟件，將渡槽拉桿的設(shè)計(jì)思路應(yīng)用到消力池?fù)跬翂庸讨衼?，?duì)各種擋墻加固方案進(jìn)行了拉應(yīng)力值大小及分布的分析，可以比較便捷地得到優(yōu)選方案，同時(shí)還可以得到消力池結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的內(nèi)力值及應(yīng)力值，清晰地看到各種工況下的應(yīng)力分布情況，為設(shè)計(jì)人員快速判斷結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)、采取何種加固措施以及配置鋼筋提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］SL/T 191-2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］徐海清，吳佐蓮，閆運(yùn)雷，等.淘金河大型預(yù)應(yīng)力拉桿拱渡槽結(jié)構(gòu)變形及穩(wěn)定性研究［J］.水利水電技術(shù)，2008，39 （2）：29-31.

［3］姜葵紅，和桂玲，李玉瑩，等.界河大型預(yù)應(yīng)力拉桿拱渡槽設(shè)計(jì)與研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006（10）：66-70.

［4］李世平，謝三鴻，唐清華.南水北調(diào)中線工程某大型渡槽設(shè)計(jì)［J］.人民長(zhǎng)江，2011，42（20）：31-34.

［5］張玉明，張高偉，劉國(guó)龍，等.南水北調(diào)沙河渡槽預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與配筋優(yōu)化［J］.人民長(zhǎng)江，2013，44（16）：9-11.

ABAQUS simulation-based optimization for reinforcement of high and thin retaining wall was adopted in the case of stilling basin side-walls behind the diversion tunnel of Qigu reservoir in Xinjiang. The best solution using bars strengthening was obtained.The results showed that most parts of the stilling basin was in compression state，the value of local tensile stress was controlled within the allowable range of the Specification，stress distribution of the structure became uniform，and the deformation was reduced.This method provided a reference for solving structural reinforcement in practical projects.

stilling basin；tie bar；retaining wall；tensile stress；FEM analysis

TV33

A

1671-1092（2016）02-0045-04

2015-10-18

馬志軍（1976-），男，新疆伊寧市人，工程師，主要從事水利水電工程勘測(cè)與設(shè)計(jì)工作。

作者郵箱：lixq_xj@163.com

Title：ABAQUS simulation-based optimization for reinforcement of stilling basin side-wall//by MA Zhijun，LI Xiao-qing and YU Wei//Yili Prefecture Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute