太浦河泵站底板結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算與原型觀測分析(1)

1、太浦河泵站底板結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算與原型觀測分析(1)    摘要：本文通過對太浦河泵站底板、頂板和地基進(jìn)行整體三維有限元分析，全面掌握結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況，據(jù)此指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的布置和配筋。通過對泵站進(jìn)行原型觀測和分析，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，并對泵站結(jié)構(gòu)功能的安全性做出評價(jià)。 關(guān)鍵詞：太浦河泵站 底板 流道 有限元分析 原型觀測 1 概述太浦河泵站主泵房采用堤身式布置，安裝有6臺斜15o軸伸泵，泵站設(shè)計(jì)總流量為300m3/s。為滿足伸縮縫的設(shè)置要求，采用二機(jī)一縫的布置方式，因此泵房共分三塊底板，單塊底板順?biāo)鞣较蜷L40.45m，寬22.5m，厚2m，流道頂板頂厚約1

2、.2m。因泵房基礎(chǔ)應(yīng)力大于其持力土層的地基承載力，經(jīng)對地基處理方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選后，采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基加固方案進(jìn)行地基處理。主泵房北端布置安裝間，南端布置35kv變電站。太浦河泵站主泵房底板在整個(gè)泵房結(jié)構(gòu)中占有重要地位，且底板平面尺寸大，結(jié)構(gòu)布置和地基條件復(fù)雜，在類似工程建設(shè)或運(yùn)行中，流道頂板均出現(xiàn)裂縫或漏水等現(xiàn)象。為保證太浦河泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確合理，防止泵房底板、流道頂板等出現(xiàn)裂縫，設(shè)計(jì)委托河海大學(xué)力學(xué)研究所對泵房底板和流道進(jìn)行了整體三維有限元分析，通過計(jì)算了解泵房底板和流道的應(yīng)力和變形的大小和分布，指導(dǎo)相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)布置和配筋。同時(shí)為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，對泵房底板和流道進(jìn)行了

3、原型觀測設(shè)計(jì)和研究。2 計(jì)算模型為正確模擬結(jié)構(gòu)的受力變形情況，計(jì)算模型考慮了地基底板和底板頂板的整體變形和變形連續(xù)的條件，計(jì)算模型取高程1.45m以下的流道、底板和地基進(jìn)行整體三維有限元計(jì)算。采用空間協(xié)調(diào)等參單元對空間任意地基進(jìn)行離散，上部結(jié)構(gòu)則采用能夠較好反映彎曲變形性能的空間非協(xié)調(diào)單元進(jìn)行離散，運(yùn)用空間組合有限元法求出結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的應(yīng)力。地基計(jì)算深度取48m，泵房上、下游各取20m，有限元模型見圖1。 各分區(qū)材料的主要計(jì)        圖1 有限元模型作者簡介:孫衛(wèi)岳(1965-),男(漢族),江蘇蘇州人,工學(xué)士

4、,高級工程師,從事水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程管理算參數(shù)見表1。     表1     各分區(qū)材料主要計(jì)算參數(shù)    分區(qū)彈性（變形模量）mpa泊松比容重（t/m3）底板、墩墻和頂板c20：2.60e4c25：2.85e40.1672.4水泥攪拌樁5000.202.1-14.2m高程以下土層2000.301.9將1.45m高程以上排架等各種荷載導(dǎo)算到該高程上，分別進(jìn)行了6種荷載組合工況計(jì)算，計(jì)算工況及其水位組合見表2。計(jì)算中還考慮了如下邊界條件：安裝間平均地基應(yīng)力為120kpa，

5、作為邊荷載考慮，側(cè)向土壓力按靜止土壓力計(jì)算，地下水位按4.00m考慮。計(jì)算中采用了地基反力直線分布和攪拌樁地基兩種地基模型。表2     計(jì)算工況和水位組合荷載組合計(jì)算工況進(jìn)水側(cè)水位（m）出水側(cè)水位（m）基本組合完建工況-6.05-4.45設(shè)計(jì)運(yùn)用工況11.703.34設(shè)計(jì)運(yùn)用工況25.003.29特殊組合檢修工況4.023.54校核運(yùn)用工況15.503.29校核運(yùn)用工況25.504.693 計(jì)算結(jié)果（1）拉應(yīng)力情況    在完建工況，順?biāo)鞣较虻装迨芾?，最大拉?yīng)力為1.45mpa（地基反力直線分布）和0.66mp

6、a（攪拌樁地基），實(shí)際拉應(yīng)力的值應(yīng)該界于這兩個(gè)值之間，可能會超過混凝土的抗拉強(qiáng)度。    在完建工況，垂直于水流方向流道頂板受拉，最大拉應(yīng)力分別達(dá)到了2.89mpa（地基反力直線分布）和1.32mpa（攪拌樁地基），發(fā)生在離泵房進(jìn)水口距離為20.95m處的流道頂板上，該處頂板處于小偏心受拉狀態(tài)，對應(yīng)的彎矩和軸力分別為m=7.62t-m、n=192t/m（地基反力直線分布）和m=11.88t-m、n=47t/m（攪拌樁地基）。如果只考慮50%的邊荷載，則流道頂板最大應(yīng)力和內(nèi)力降低30%40%，說明邊荷載對流道頂板拉應(yīng)力的影響是很大的。  

7、;  檢修工況是最不利工況，此時(shí)流道頂板和胸墻都處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力分別達(dá)到1.61mpa和1.21mpa（攪拌樁基礎(chǔ)），如果采用地基反力直線分布假定，則相應(yīng)的最大拉應(yīng)力分別為2.42mpa和1.94mpa，超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度。 （2）沉降情況完建工況下，考慮100%邊荷載，最大沉降發(fā)生在1#2#號泵房邊墩下游，為8.64cm，底板平均沉降為7.28cm。如果考慮50%的邊荷載，最大沉降發(fā)生在3#4#號泵房下游，為7.12cm，底板平均沉降為6.07cm。4 計(jì)算結(jié)果對工程設(shè)計(jì)和施工的指導(dǎo)泵房三維整體有限元計(jì)算分析表明，在完建工況，底板順?biāo)鞣较蚝晚敯宕怪彼鞣较蚴?/p>

8、拉，拉應(yīng)力達(dá)到或超出混凝土的抗拉強(qiáng)度，減少邊荷載對降低頂板拉應(yīng)力有顯著效果，同時(shí)，邊荷載是引起泵房底板不均勻沉降的主要因素。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，工程設(shè)計(jì)做了下述調(diào)整：（1）    流道頂板在垂直水流方向，按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算，重新調(diào)整了頂板的配筋，對拉應(yīng)力較大的部位增加了配筋量。（2）    安裝間和35kv變電站基礎(chǔ)采用有地下一層的筏式基礎(chǔ)，減小泵房兩側(cè)的回填土高度；同時(shí)，地基處理由原來的水泥攪拌樁復(fù)合地基改為灌注樁地基處理，將大部分的邊荷載直接傳至深層堅(jiān)硬的持力層中，減少邊荷載對流道頂板拉應(yīng)力和泵房底板

9、不均勻沉降的影響。（3）    調(diào)整施工方案，在完成泵房邊泵組段臨土邊墻施工，并達(dá)到其28d混凝土齡期后，先回填邊墻外側(cè)回填土，使邊墻處于受壓狀態(tài)，然后再澆注流道頂板，使流道閉合，利用邊墻的側(cè)壓力削減完建期流道頂板的側(cè)向拉應(yīng)力。5 泵房底板沉降和應(yīng)力觀測設(shè)計(jì)    為了了解和監(jiān)測底板和頂板的受力變形情況，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，確保底板和流道的結(jié)構(gòu)安全，對底板和流道進(jìn)行了原型觀測設(shè)計(jì)。觀測設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括沉降、水平位移、基礎(chǔ)受力、滲透壓力、沉降縫開合度以及底板和頂板鋼筋應(yīng)力觀測等內(nèi)容。泵房底板沉降和應(yīng)力觀測設(shè)計(jì)布置

10、如下：（1）在主泵房上、下游平臺上布置水平位移、沉降兼測點(diǎn)12只用以判斷主泵房有無發(fā)生裂縫、傾覆的可能，了解泵房在不同階段、不同工況下發(fā)生的沉降量。（2）為了解底板鋼筋在不同荷載作用下的鋼筋應(yīng)力大小及過流前后應(yīng)力重新分布狀況，選擇3#、4#泵組底板鋼筋作為觀測對象，用鋼筋計(jì)觀測鋼筋應(yīng)力?？紤]到垂直于水流方向的鋼筋為主要受力鋼筋，故鋼筋計(jì)主要沿垂直水流方向布置，共選取了六組觀測斷面，每個(gè)斷面的上下層鋼筋上各安裝一只鋼筋計(jì)，共12只，同時(shí)，為了解順?biāo)鞣较蜾摻畹氖芰η闆r，在順?biāo)鞣较蛞策x取了兩組觀測斷面，每個(gè)斷面的上下層鋼筋上各安裝一只鋼筋計(jì)，共4只。（3）在流道頂板內(nèi)部順?biāo)鞣较蜻x取兩組觀測斷面

11、：一組基本在3#泵組的中心線上，鋼筋計(jì)垂直于水流方向布置；一組基本在4#泵組的中心線上，鋼筋計(jì)順?biāo)鞣较虿贾谩Ｌ貏e是在離進(jìn)水口20.95m流道頂板處，該處三維有限元計(jì)算分析拉應(yīng)力達(dá)2.89kpa，設(shè)計(jì)按照小偏心受壓受拉構(gòu)件進(jìn)行配筋，該處共配置了三層鋼筋，考慮到該部位受力較大，故在該部位各布置三根鋼筋計(jì)。其余部位鋼筋計(jì)在上下層鋼筋上成對布置。流道頂板內(nèi)部共布置鋼筋計(jì)14只。6 原型觀測及資料分析（1）沉降觀測與分析    沉降數(shù)據(jù)表明，完建期底板的最大沉降量為42.6mm，最大沉降點(diǎn)位于靠近35kv變電站邊墻的上游側(cè)。最小沉降量為10mm。整個(gè)泵房底板的完

12、建期的平均沉降量為26mm，最大沉降差為32.6mm。沉降量和沉降差均遠(yuǎn)小于規(guī)范的允許值。實(shí)測值的分布規(guī)律與計(jì)算比較吻合，但數(shù)值小于計(jì)算值。（2）應(yīng)力觀測與分析上游頂板垂直水流方向鋼筋應(yīng)力在初期表現(xiàn)為受拉，隨著泵房兩側(cè)填土以及35kv變電站和安裝間的施工的進(jìn)行，該部分鋼筋計(jì)的拉應(yīng)力逐漸減小，且開始有較小的壓應(yīng)力出現(xiàn)，最后測值穩(wěn)定在零值附近。下游流道頂板垂直水流方向鋼筋的應(yīng)力主要表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，隨時(shí)間的推進(jìn)壓應(yīng)力呈增大趨勢。這表明泵房兩側(cè)填土對削減流道頂板側(cè)向拉應(yīng)力產(chǎn)生了顯著的作用，同時(shí)也表明35kv變電站和安裝間下的樁基礎(chǔ)對減小邊荷載對流道頂板側(cè)向拉應(yīng)力也起到了作用。觀測表明，流道頂板實(shí)際上沒

13、有出現(xiàn)計(jì)算中所產(chǎn)生的垂直水流方向的拉應(yīng)力，只是在下游流道頂板靠近多葉拍門通氣孔處順?biāo)鞣较虻匿摻畛霈F(xiàn)了拉應(yīng)力，但其數(shù)值很小。上游頂板順?biāo)鞣较蜾摻铋_始表現(xiàn)為受拉，但隨著時(shí)間的推移也轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。底板鋼筋以受壓為主，只是在順?biāo)鞣较蚓植砍霈F(xiàn)很小的拉應(yīng)力。這個(gè)規(guī)律與計(jì)算相符。7 結(jié)束語    通過對太浦河泵站泵房底板和流道進(jìn)行三維整體有限元分析，并進(jìn)行了觀測設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)根據(jù)三維整體有限元分析計(jì)算結(jié)果，采取了一定的工程措施，對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。同時(shí)通過對泵房沉降以及底板和流道頂板應(yīng)力的原型觀測資料分析，來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果和所采取工程措施的科學(xué)合理性和效果。上述工作表明：（1）    太浦河泵站泵房底板和流道的三維有限元分析對工程設(shè)計(jì)和施工起到了積極的指導(dǎo)作用，特別是對指導(dǎo)結(jié)構(gòu)配筋，防止流道頂板和底板混凝土開裂有重要意義。（2）    原型觀測表明，太浦河泵站泵房底板和流道頂板的應(yīng)力和位移狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)和使用的要求，可以保證工程正常和安全的運(yùn)行使用。