引水隧洞钢筋混凝土岔管结构特性分析与配筋优化

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1、研管理水利规划与设计2014年第l期引水隧洞钢筋混凝土岔管结构特性分析与配筋优化曲磊(辽宁省水利水电科学研究院辽宁沈阳110003)【摘要】结合某抽水蓄能电站钢筋混凝土岔管结构工程实例，运用ansys大型有限元软件为平台，进行三维数值仿真模拟，对岔管的结构特性进行了分析。结果显示，岔管岔角处应力集中现象明显，在水压力作用下岔腰出现最大应力，根据得到的应力结果对截面进行配筋，可以定量化地指导和优化工程设计。【关键词】钢筋混凝土岔管有限元分析结构特性衬砌【DOI编码】10．3969／j．issn．1672-2469

2、．2014．01．022【中图分类号】TV33【文献标识码】B【文章编号】1672—2469(2014)O1—0065—04埋藏式钢筋混凝土岔管结构是一种复杂的管衬后直径为3．8m，衬砌厚度为0．8～1．0m。岔空间结构。传统的水工遂洞设计方法是按照结构管为Y型分岔，分岔角为4O。。力学理论，视衬砌为承载主体，围岩则作为荷载岔管采用的混凝土强度等级为C25，钢筋用或者仅提供被动抗力施加到衬砌上，没有利用围II级钢。岔管处围岩为I～II类。衬砌顶拱回填岩的承载作用。事实上围岩承载潜力巨大，是承灌浆压力取0．3MP

3、a。载的主体，而衬砌则仅作为保护围岩，改善过流表1水库特征水位糙率，以及承载局部不稳定块体和破碎岩体荷载等目的而采取的工程措施。特征水位水位高程(皿)由于岔管结构属于体型复杂，对安全性要求死水位180．0较高的结构物，通常对其进行有限元分析。本文正常蓄水位208．0根据相关资料，运用大型有限元分析软件对某水库工程的发电引水隧洞的岔管部分进行了三维发电校核水位2l1

4、58有限元分析，对岔管的结构特性进行了研究。库水位234．51工程概况2岔管空间有限元模型的建立某水电站按100年一遇洪水设计，5000年2．1有限

5、元计算软件一遇洪水校核。水库汛期限制水位205．Om，汛计算软件采用具有世界先进水平的大型通后正常蓄水位208．Om，死水位180．Om。最高发用有限元分析软件ANSYS9．0。该分析软件有强电水位211．58m，水库特征水位见表1。工程区大的前、后处理和计算分析功能，并且能有效地地震基本烈度为Ⅶ度。保证计算成果精度。该软件曾完成多项工程的结水库工程的发电引水隧洞由进水口、上平构分析研究工作，均取得了理想的应用效果。洞、调压井、斜井、下平洞、岔洞以及两条支洞2．2岔管结构尺寸组成。发电引水隧洞的岔管部分，为钢筋

6、混凝土衬砌。主管衬后直径6m，衬砌厚度为1．0m。支作者简介：曲磊(1979年一)，男，工程师。·65·科研管理水利规划与设计20l生箍岔管结构尺寸见图1。坐标系的X方向指向径向，Y方向指向环向。图2围岩及岔管模型剖面图图1引水隧洞平面图2．3计算范围对埋藏式钢筋混凝土岔管进行有限元分析时，由于受到网格划分密度以及计算机容量的限制，在尽量满足计算精度的前提下，要采用较小的范围。常规的遂洞计算在弹性力学里属于无限大弹性体的中央孔口问题。通常情况下围岩的计算范围为孔径的5倍左右。因此，以岔管主管轴图3岔管模型图线为

7、中心线，上下、左右各取15m作为分析范围。2．4基本假定和边界条件3有限元计算结果分析计算段围岩、混凝土结构等均近似假定为各考虑五种荷载组合进行电算，得出岔管在五向同性、均匀连续的弹性体。离散域下岩石外边种工况下的应力和应变分布。本文给出了岔管典界设置三向约束。型截面I—I、II一Ⅱ和Ⅲ一1]I(如图4所示)在2．5有限元网格离散五种工况下的应力和应变分布图。采用空间有限元进行电算(线弹性)。为了保证模型与真实结构的相似性，建模采用三维实体建模，围岩和衬砌均采用6面体8节点等参单元进行模拟。对建立的三维实体模型

8、进行有限元离散，共得到70220个单元。有限元模型如图2～3所示。2．6计算坐标系约定为了便于建模和成果整理，计算中采用整体直角坐标系和局部坐标系，现分别约定如下：图4典型截面位置分布图整体直角坐标系：坐标原点定在支管端面与其轴线的交点上，水平方向为X轴，竖直方向为3．1各工况组合情况Y轴，支管逆水流方向为Z轴。根据水库在不同水位情况下的控制运用情局部坐标系：局部坐标系采用柱坐标系，柱况，给出五种荷载组合见表2。·66·科研管理水利规划与设计2014年第1期表2各工况组合表工况组合正常蓄水位发电库水位校核水位水

9、锤压力外水压力村砌自重围岩压力和抗力灌浆压力运行期(基本)√√√√√检修期(基本)√√√运行期(特殊)√√√√√施工期(特殊)√√√√√库水位(特殊)√√√√3．2各工况计算结果分析工况一：岔管主管环向应力为0．54～之间。压应力较大值出现在两支管相交部位顶端1．39MPa之间，支管0．3～2．66MPa之间。应力内部，大小为一12．8Mpa，拉应力较大值出现在两较大值出现在两支管相交