重力壩泄洪孔弧門支承梁靜力有限元分析研究

蘇慧敏

(山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 運(yùn)城 030002)

1 緒 論

混凝土壩壩體泄洪一般通過中、底孔進(jìn)行部分泄洪，泄放流量相比表孔較小，溢流壩和泄洪孔宜同步施工，相互配合使用。大壩庫(kù)水位越大，壩體越高，泄洪孔的施工技術(shù)難度越大。泄洪孔的設(shè)計(jì)要考慮樞紐布置、地質(zhì)條件和效益發(fā)揮等因素，同流量泄放時(shí)，表孔溢流壩相比壩體泄水孔節(jié)約工程造價(jià)。從受力變形方面來講，壩身開孔將改變壩體應(yīng)力場(chǎng)分布，開孔位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，該位置較長(zhǎng)出現(xiàn)混凝土裂縫，對(duì)大壩安全穩(wěn)定性造成一定困擾[1]。因此，有限元分析時(shí)將該類應(yīng)力集中問題及區(qū)域作為重點(diǎn)關(guān)注，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)復(fù)核孔洞的受力承載能力。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某重力壩位于甘肅省境內(nèi)，最大壩高59.0m，壩頂高程1751.0m，壩頂全長(zhǎng)151.0m[2]。樞紐建筑物主要為：混凝土重力壩、電站廠房、泄洪底孔等組成。有限元模擬：壩體混凝土采用六面體等參單元模擬，模型共有單元總數(shù)153682；節(jié)點(diǎn)總數(shù)42164[3]。重力壩泄洪底孔壩段三維有限元模型如圖1所示，弧門支承梁見圖2。

圖1 重力壩泄洪底孔壩段三維數(shù)值模型

圖2 弧門支承梁體形圖

2.2 物理參數(shù)

混凝土容重25kN/m3；泊松比1/6；混凝土強(qiáng)度及彈性模量見表1。

表1 混凝土力學(xué)參數(shù)表

鋼筋力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 鋼筋強(qiáng)度和彈性模量

2.3 計(jì)算結(jié)果

重力壩泄洪底孔壩段弧門支承梁應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見表3，位移變化計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 弧門支承梁應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

表4 弧門支承梁位移變化計(jì)算結(jié)果

從表可以看出不同工況的弧門支承梁均施加弧門推力，應(yīng)力值都偏大，弧門支承梁的正、剪應(yīng)力基本一致，工況三的應(yīng)力值較大[4]。文章選取工況三的剖面應(yīng)力等值線計(jì)算結(jié)果作為展示。壩段典型剖面位置選取如圖3-圖8所示；弧門大梁剖面位置如表5所示。

表5 弧門大梁剖面位置表

圖3 1#剖面X方向正應(yīng)力sx

圖4 1#剖面Y方向正應(yīng)力σy

圖5 1#剖面Z方向正應(yīng)力σz

圖6 2#剖面X方向正應(yīng)力sx

圖7 2#剖面Y方向正應(yīng)力σy

圖8 2#剖面Z方向正應(yīng)力σz

由上述圖示結(jié)果可得出，順?biāo)鞣较虻淖畲笳瓚?yīng)力為2.624MPa，出現(xiàn)在弧門推力作用點(diǎn)附近，作用范圍較窄；最大壓應(yīng)力為10.58MPa，同樣出現(xiàn)在弧門推力的作用點(diǎn)上，分析因?yàn)閼?yīng)力集中造成局部變形過大。未施加弧門推力時(shí)，順?biāo)鞣较蛘龖?yīng)力均較小，壩軸線方向拉應(yīng)力值最大為1.226MPa。最大壓應(yīng)力為5.42MPa，拉、壓應(yīng)力極值位置同弧門推力作用點(diǎn)。豎直方向拉應(yīng)力最大值為2.296MPa，在大壩右岸的梁端上部[5]?；￠T支承梁位移變形最值為1.105mm、2.384mm、0.483mm，出現(xiàn)位置分別為推力作用點(diǎn)、門支承梁的左端和左下端位置。

3 結(jié) 論

文章結(jié)合實(shí)際工程建立重力壩泄洪壩段的三維有限元模型，計(jì)算分析重力壩弧門支承梁不同受力荷載下的應(yīng)力變形，通過三種不同工況對(duì)比分析認(rèn)為：施加弧門推力后的支承梁局部壓應(yīng)力極值較大，但均超過混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在該位置應(yīng)加強(qiáng)鋼筋配置，保證該位置的承載穩(wěn)定，結(jié)果表明該大壩弧門支承梁受力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。