哈拉軍水電站尾水管彎管段內(nèi)力計(jì)算

邰春亮

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

哈拉軍水電站工程位于新疆特克斯縣境內(nèi)的特克斯河一級(jí)支流庫(kù)克蘇河上，是伊犁河流域庫(kù)克蘇水力發(fā)電規(guī)劃報(bào)告中“三庫(kù)六級(jí)”的中的第六個(gè)梯級(jí)電站。距特克斯縣12 km，距伊寧市131 km。根據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL 5180-2003），哈拉軍水電站設(shè)計(jì)引水流量98.2 m3/s，電站裝機(jī)容量為38 MW，哈拉軍水電站為Ⅳ等小（1）型，電站主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)。地震基本烈度為Ⅷ度。電站廠房及尾水渠采用設(shè)計(jì)洪水頻率P=2%，重現(xiàn)期為50 年一遇；校核洪水頻率P=1%，重現(xiàn)期為100 年一遇。

2 尾水管結(jié)構(gòu)

尾水管彎管段通常指中墩墩頭到錐管以下這段結(jié)構(gòu)，該段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是頂板很厚，底板相對(duì)較薄，兩側(cè)邊墩在水平方向?yàn)樽兒穸?。彎管段一般不設(shè)金屬里襯，但當(dāng)水頭大于150 m，或尾水管平均流速大于6 m/s 時(shí)，以及水中含沙量較大的電站，可考慮設(shè)里襯[2]。

2.1 尾水管單線圖

尾水管單線圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 尾水管單線圖（側(cè)視）

圖2 尾水管單線圖（俯視）

2.2 基本假定及計(jì)算過(guò)程

本次計(jì)算目的是通過(guò)對(duì)哈拉軍水電站尾水管的結(jié)構(gòu)內(nèi)力（即彎距、剪力、軸向力）計(jì)算，根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋、限裂的計(jì)算。

設(shè)計(jì)資料：橋機(jī)自重按140 t 設(shè)計(jì)，最大起重量按150 t 設(shè)計(jì)，橋機(jī)試驗(yàn)最大起重量按150×1.25=187.5 t 設(shè)計(jì)。

2.2.1 基本假定

（1）在圖3 所示的尾水管中，在垂直方向選取4 個(gè)計(jì)算斷面，在各計(jì)算斷面處切取單寬按平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。

（2）考慮各斷面的計(jì)算情況多數(shù)以機(jī)組檢修為控制，故以下僅計(jì)算機(jī)組檢修情況，此時(shí)電站下游尾水位為1172.539 m。

（3）尾水管計(jì)算荷載包括尾水管自重、蝸殼重、風(fēng)罩及機(jī)墩重機(jī)電設(shè)備重等。尾水管以上二期砼及機(jī)電設(shè)備重均化為均布荷載考慮。

（4）廠房基礎(chǔ)反力在垂直水流方向上按均布考慮，同時(shí)不考慮砼的溫度應(yīng)力。

尾水管橫剖面見(jiàn)圖3。

圖3 尾水管橫剖面圖

2.2.2 彎管段內(nèi)力計(jì)算（1- 1 斷面）

首先確定計(jì)算簡(jiǎn)圖并進(jìn)行荷載計(jì)算，1-1 斷面的型式及尺寸見(jiàn)圖4。底板的跨高比；豎向桿的，故不可忽略剪切變形和節(jié)點(diǎn)剛性的影響，節(jié)點(diǎn)剛性段的長(zhǎng)度取節(jié)點(diǎn)寬度的一半，柔性段長(zhǎng)度取凈跨。

圖4 1-1 斷面示意圖

（1）荷載計(jì)算

機(jī)墩及風(fēng)罩砼自重為6553kN；蝸殼二期砼自重為21702kN；尾水管自重31230 kN，其余部分大體積砼自重69214 kN；該機(jī)組段承重的基礎(chǔ)面積443.39 mm2。故：

水輪機(jī)自重1550 kN；發(fā)電機(jī)自重2450 kN，其它機(jī)電設(shè)備及上部結(jié)構(gòu)自重8432 kN；故：

機(jī)組檢修時(shí)下游尾水位為1172.539 m，不考慮基礎(chǔ)排水設(shè)施，浮托力按矩形考慮，即：q3=1.05×9.3×9.8=95.7 kN/m2。

基礎(chǔ)反力q=q1+q2-q3=228.65 kN/m2；側(cè)向水壓力q上=88.29 kN/m2,q下=33.78 kN/m2，取斷面寬度b=1 m。

各桿件荷載簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖5。

圖5 各桿件荷載簡(jiǎn)圖

（2）結(jié)構(gòu)形常數(shù)計(jì)算

按考慮節(jié)點(diǎn)剛性及剪切變形影響時(shí)的形常數(shù)表進(jìn)行計(jì)算。截面慣性矩計(jì)算，見(jiàn)表1。

表1 截面慣性矩計(jì)算表 單位：m4

剪力變形影響系數(shù)（兩端固定的桿件）計(jì)算，見(jiàn)表2。

表2 剪力變形影響系數(shù)計(jì)算表

抗彎剛度系數(shù)計(jì)算，見(jiàn)表3。

表3 抗彎剛度系數(shù)計(jì)算表

分配系數(shù)：

同理μCD=0.907 μCB=0.093

傳遞系數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 傳遞系數(shù)計(jì)算表

（3）結(jié)構(gòu)載常數(shù)計(jì)算

參考考慮節(jié)點(diǎn)剛性及剪切變形影響時(shí)桿件的載常數(shù)表，計(jì)算各個(gè)柔性桿端的固端彎矩及剪力。

（4）剛性節(jié)點(diǎn)固端彎矩計(jì)算

（5）桿端彎矩計(jì)算

用力矩分配法計(jì)算桿端彎矩，見(jiàn)表5。

表5 1-1 斷面桿端彎矩計(jì)算表

（6）柔性段桿端彎矩計(jì)算

（7）內(nèi)力圖見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 彎矩圖及剪力圖

由上述內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，尾水管彎管段角點(diǎn)處彎矩及軸力較大，但剪力較小。

（8）強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)上述內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行尾水管彎管段強(qiáng)度計(jì)算，得到合理的配筋成果及裂縫開(kāi)展寬度結(jié)果，計(jì)算依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）及《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008） 中的計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 強(qiáng)度計(jì)算成果表

圖7 軸力圖

2.2.3 彎管段配筋要點(diǎn)

根據(jù)本工程彎管段內(nèi)力及強(qiáng)度計(jì)算可知，當(dāng)配筋率小于最小配率時(shí)，可按少筋混凝土計(jì)算，即用降低安全系數(shù)的方法計(jì)算配筋量，對(duì)受彎、大偏心受壓、大偏心受拉構(gòu)件的受拉鋼筋其配筋率不得小于0.05%（厚度超過(guò)5 m 的構(gòu)件可不受此限，但每米寬度內(nèi)的鋼筋面積不得少于25 cm2）；對(duì)大偏受壓、大偏心受拉構(gòu)件中的受壓鋼筋不得小于0.02%（一側(cè)）；對(duì)小偏心受壓，軸心受構(gòu)件中的受壓筋不得小于0.04%（兩側(cè)）[3]。垂直主方向的分布筋（架立筋）面積一般不小于主筋面積的15%～25%，直徑一般為中Φ16～Φ20，間距一般為200 mm～300 mm。對(duì)尾水管結(jié)構(gòu)受進(jìn)人孔、廊道等削弱的部位，需適當(dāng)增加鋼筋面積予以加強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

尾水管底板是整個(gè)廠房的基礎(chǔ)板，考慮到傳力的均勻及減少早期溫度收縮裂縫，一般在整個(gè)底般范圍內(nèi)均須布置鋼筋。鋼筋的數(shù)量按照彎管段及擴(kuò)散段底板的計(jì)算需要配置。尾水管框架頂板、底板與墩子交接的轉(zhuǎn)角處是產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，其應(yīng)力分布與內(nèi)折角的形狀有關(guān)。內(nèi)折角越平緩，應(yīng)力集中越小。因此一般都將內(nèi)折角作成圓弧形或填角（補(bǔ)角）以緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象。填角處需設(shè)加強(qiáng)斜筋，斜筋直徑、間距與頂、板主筋相同。