钢筋混凝土非杆体系结构分析方法研究

摘 要:某水电站导流隧洞进水口结构属于典型的非杆件体系水工混凝土结构，较为合理的设计方法是采用钢筋混凝土非线性有限元法进行配筋设计。根据混凝土结构非线性有限元分析，笔者认为对于导流隧洞进水口墩结构原有的配筋方案基本能满足结构承载力要求;在基本计算中分缝的影响可以不计;在闸门孔口附近应乎取适当的防水措施;对中墩前部和尾部可以优化配筋方案。

关键词:导流隧洞;中墩;钢筋棍凝土;非线性;空间有限元分析

1进水口结构简介

电站由碾压混凝土重力坝、左岸地下厂房、右岸通航建筑物等组成。左、右岸各布置1条导流隧洞，采用16 mx21 m的城门洞形断面。导流洞进水口段长29.00 m，进水口段顶板作为闸门组装平台，后期利用启闭架吊放平面钢闸门对导流洞进行下闸封堵。左岸导流洞进水口平面如图1所示。

其结构属于非杆件体系水工钢筋混凝土结构，《DL/T 5057-2009，SL191-2008水工混凝土结构设计规范》建议按弹性应力图形进行配筋设计。研究表明团，采用弹性应力方法所配钢筋与采用钢筋混凝土非线性有限元方法考虑裂缝引起应力重分布所配钢筋相比，有的部位过于保守，有的部位又偏于不安全。实际上，当混凝土开裂后，由于裂缝等引起应力重分布，结构实际应力状态与弹性应力状态有本

质区别，再按弹性应力进行配筋设计明显是不合理的，较为合理的设计方法是采用钢筋混凝土非线性有限元法。同平面非线性分析相比，空间非线性分析能够更真实地反映结构的应力状态。本文采用空间非线性有限元方法对进水口中墩结构进行分析，对中墩结构的承载能力和安全度作出合理评价。

2空间非线性有限元计算方法

2.1计算模型

采用大型商业化有限元计算软件ANSYS进行数值计算，利用该软件单元库中的八节点六面体空间等参单元建立结构计算模型。该单元具有模拟开裂、塑性变形及压碎等功能，每个结点有3个平动自由度，并能够在3个方向上定义分布钢筋，分布钢筋不承担剪力 。

导流隧洞进水口结构空间弹性分析的有限元网格如图2所示。空间弹性分析计算范围考虑到进水口结构与岩体共同工作，岩体范围取足够大(结构的3倍)，岩体周边按固结处理。进水口结构的长、宽、高分别为29.0,43.4,42.0m，全部包括在计算模型内。进水口结构底板以下基于岩沿深度方向取结构高度的1倍左右，约40m;沿上、下游(顺水流)方向取结构长度的各1倍左右，共约85 m。进水口两侧墙外侧岩体沿宽度(横水流)方向取结构宽度的各1倍左右，共约120 m。利用对称性原理取整个结构体的一半以减小计算规模。为了对结构体进水口中墩结构进行更加精确的分析，采用了子模型方法。子模型方法的基本思想是 :先对整体模型进行分析，对于感兴趣的子域，将整体模型相应于该子域边界上的计算结果转化成子域的边界条件，对子域细分网格进行二次求解。进水口中墩结构空间非线性分析的有限元网格如图3所示。进水口中墩结构计算范围以中墩中轴线为对称轴，沿进水口宽度方向取

4.5m，长度取29.0 m，高度取41.6 m。利用对称性原理，取中墩结构的一半进行计算，并且计算时不考虑基底扬压力。将整体模型在定义的切割边界上的弹性分析应力结果作为子模型的指定应力边界条件。分析时考虑0+000.000处分缝(如图1所示)对结构应力的影响及配筋率对裂缝开展的影响。

2.2材料物理特性

材料基本物理参数见表1。弹性分析时，土和基岩均按各向同性弹性材料考虑。非线性分析时，假设钢筋为理想弹塑性材料，屈服强度为235 N/mm ,弹性模量为2.1 x 10N/mm 混凝土的抗压强度为27.0 MPa，抗拉强度为2.45 MPa，弹性模量为3x10 N/mm ，泊松比为1/6。采用Drucker-Prager屈服准则和五参数的William-Warnke强度准则描述混凝土的屈服及破坏。混凝土的开裂及闭合时的剪力传递系数分别取0.3和0.5。

2.3计算工况

根据前期研究成果，只考虑以下最不利工况:初期发电期，闸门前断面有水，闸门后断面无水，闸门挡水承受水压力。荷载组合为结构自重、库水压力、基底扬压力、进口段内壁静水压力、启闭架自重、闸门自重及闻门挡水压力，荷载分项系数均为1.0。计算水位自250 m一直到330 m(初期发电期的最高库水位)。作用在闸门上的水压简化为集中力，作用在孔边结点上。

2.4计算坐标系

进水口中墩结构分析的计算坐标系:X为水流方向，顺水流方向为正;Y为铅垂向，向上为正;Z为0+OOO.OOI〕桩号铅垂面与水平面的交线，指向左岸山体为正。坐标原点位于0+000.000断面中墩中心面的底部。

3计算成果

3.1结构空间弹性分析

由空间弹性分析可知，基底扬压力、0+000.000处分缝对结构应力的影响都局限在边角等局部区域，而对整体结构的应力影响很小，且对于闸门压力作用处(最危险区域)的各应力值无明显影响，故仅将其作为参照因素，不记人基本计算之中。进水口中墩结构的受力比较复杂，最大主应力值超过混凝土抗拉强度，需要对中墩结构进行非线性分析，以确定裂缝开展规律。

3.2混凝土墩结构非线性分析

墩结构空间非线性分析表明，如果按照原有配筋方案配置钢筋，当荷载达到工作荷载的50%左右时，裂缝首先在顺水流方向15m截面附近的位置产生，当达到正常荷载时，中墩结构闸门孔口下游会产生顺水流方向的裂逢，裂缝向下游延伸1.5m左右。同时门槽与底板交界面处由于应力集中，也产生了裂缝。考虑到裂缝中较高的水压力有可能进一步加剧裂缝的开展，有必要在闸门孔口附近采取适当的防水措施。

3.2.1分缝的影响

分缝是指进水口混凝土结构与岩体相连处(图1中的0+000.000处)材料的不连续性。空间非线性分析时，采用子结构技术将岩体传递过来的荷载作为力的边界条件施加在进水口结构上。分析表明，分缝对于结构应力状态的影响不大(见表2)。分缝对于结构位移有一定影响(见表3)，最大位移都发生在闸门轨道梁位置。分缝对于中墩结构的裂缝开展规律的影响也较小。因此，在以下的分析中不考虑分缝的影响。

3.2.2筋率的影响

分析显示，闸门孔洞削弱了中墩截面，引起孔口附近的应力集中，因此闸门孔洞附近的配筋对于结构安全尤为重要。将中墩结构闸门孔洞下游3m范围内的配筋率取为原配筋方案的75%,25%分别进行计算。分析表明，配筋率的变化对于结构应力状态有一定影响，对于结构位移影响不大。值得注意的是，除去闸门孔洞及其下游3m区域外，中墩结构其余部分的混凝土最大主应力均较小，一般不超过0.2 MPa，远未达到2.45 MPa的混凝土抗拉强度。由按原配筋率和按25%原配筋率计算的典型截面裂缝分布可知，两种配筋率情况下裂缝的开展规

律基本相同但后者裂缝洽顺水流方向的开展深度有所增加，从1.5m增加到2.2m;门槽与底板交界而处的裂缝没有继续开展。以上分析表明，闸门孔洞附近的配筋方案还需要进一步改善，以限制裂缝的开展;中墩其余部分的配筋可适当减少。

4主要结论

本文以水电站导流隧洞进水口结构为研究分析对象，采用空间非线性有限元方法进行了计算分析，主要结论如下:

（1)原有的配筋方案基本能够满足结构承载力的要求。

(2)分缝对于中墩结构的应力、位移及裂缝开展影响较小，在基本计算中可以不计。

(3)中墩结构闸门孔洞的下游会产生顺水流方向的裂缝，裂缝中较高的水压力有可能进一步加剧裂缝的开展，因此，有必要在闸门孔口附近采取适当的防水措施。

(4)中墩结构前部及尾部的混凝土最大主应力均小于混凝土的抗拉强度，因此，可以视具体情况适当减少这些部位的配筋，优化配筋方案，以降低工程造价。

注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开