应力配筋法在水利工程中应用的研究

文章编号：1009-6825（2012）33-0245-03

应力配筋法在水利工程中应用的研究

收稿日期：2012-09-22作者简介：尹岩（1988-），男，在读硕士

尹

岩

（华北水利水电学院，河南郑州450011）

摘

要：为研究应力配筋法在水利工程中的应用，结合工程实例，运用有限元软件Ansys 对闸室在两种工况下的应力进行了分析，

并选取两种工况中最不利工况对闸墩进行应力配筋计算。计算结果表明，有限元分析可以直观反映闸室的应力分布情况，采用应力配筋计算过程简单、结果明确，对工程设计具有一定的参考价值。关键词：出口控制闸，闸墩，有限元分析，应力配筋中图分类号：TV314

文献标识码：A

1概述

在水利工程中有很多非杆非壳的大体积混凝土结构，这些结

构的受力和形状都比较复杂，无法按照常规的结构力学方法进行

分析及计算。目前，

针对此类问题应用较为广泛的方法是应力配筋法，现行SL 191-2008水工混凝土结构设计规范［1］给出了弹性应力配筋方法的基本思路，并对此方法作出了原则性的说明，这

对我们的工程设计具有重要的参考价值。我们将结合工程实例，运用大型有限元软件Ansys 模拟计算闸室在两种工况下的应力，并通过有限元计算得到的应力对闸墩进行配筋计算。

2倒虹吸出口闸闸墩有限元分析2．1

工程概况

某渠道倒虹吸由进口渐变段、进口检修闸、管身段、出口控制闸和出口渐变段组成，其中出口控制闸底板高程为98．421m ，正常运行期水位为105．421m 。闸室长23m ，闸室共4孔，分为两联，一联2孔，单孔净宽6．5m ，闸室底板与墩墙为C25混凝土整体式浇筑。闸室前部设弧形钢闸门，弧形闸门半径11m ，弧形闸门侧轨中心线半径10．94m ，相应门槽宽为0．9m ，门槽深为0．3m 。出口控制闸结构尺寸如图1，图2所示。

14380

46005000

7030

1700

36002650

3400

5600

A

A 15001000

12006500

1800

1400

6500

1200

500

500800500

R 900

R 1

400

5750

385014380

500

图1出口控制闸平面图（一联）

2．2计算工况

我们只针对完建期后的工况进行探讨，根据工程实际运行情

况及不利工况，选取表1中所示的两种代表工况。

表1

计算工况

工况水位运行情况

一正常水位四孔开启

二

正常水位

两边孔关闭，

两中孔开启2．3计算模型

14380

3850

5750

200

12000

3000

C10混凝土厚100

C30二期混凝土

C30二期混凝土250

250

600

1660

980

1000

2000010001000

10426

6470

1660

60023980

1100

250

355

3924

396762000

1000

检修门

730038001500

900

R 11000

图2A —A 剖面图

4824

C25混凝土

我们主要针对闸墩的配筋进行研究，根据实际工程情况，该

工程闸墩有三种形式：缝墩、中墩、边墩，对于门槽处受力特点，边墩迎水面门槽处一直处于受压状态，缝墩和中墩门槽处受力情况

最为不利，

因此，在下面的分析中，仅考虑中墩和边墩的受力情况，并在建立模型时对结构进行了简化，模型更侧重于中墩和边

墩的受力情况。考虑结构的对称性，在此选取左联闸室进行有限元分析。

闸室混凝土结构均采用Solid45单元离散，在网格划分上，厚

度方向单元最大边长控制在0．5m 以内［2］

，对底板与闸墩的交接处进行了适当的网格加密，为保证单元均为六面体单元，对闸墩弧形部分进行了简化。

模型总单元数为92735，坐标原点位于边墩进口处坡线与底板交点，

x 轴为垂直于水流方向，y 轴为竖直方向，z 轴为顺水流方向，有限元模型如图3所示。

图3有限元网格划分图

模型边界条件为底板底部施加全约束，以x 轴、

z 轴为法向的面施加法向约束［3］

。模型荷载仅考虑了结构自重和静水压力。

2．4计算参数

·

542·第38卷第33期2012年11月

山西

建筑

SHANXI

ARCHITECTURE

Vol．38No．33Nov．2012

闸室结构均采用C25混凝土，参照《水工混凝土结构设计规范》

选取参数如表2所示。表2

材料计算采用的物理参数

材料弹模/GPa

密度/kg ·m －3

泊松比C25混凝土

28

2500

0．2

2．5计算结果

工况一应力云图如图4，图5所示，工况二应力云图如图6，图7所示。

MN

MX MN

MX 图4工况一

中墩、缝墩y 向应力云图图5工况一

中墩、缝墩第一主应力云图

MN

MX

MN

MX

图6工况二

中墩、缝墩y 向应力云图图7工况二

中墩、缝墩第一主应力云图

由两种工况的计算结果可知，最大拉应力均出现在缝墩迎水面弧形门槽处，工况一与工况二缝墩整体应力分布及应力大小相差不大，但中墩在工况二时呈现明显的不利应力状态。两种工况y 向应力云图中最大主拉应力值为2．41MPa ，y 向最大拉应力值为2．35MPa ，已经超过C25混凝土的轴心抗拉强度设计值1．27MPa 。最大拉应力均出现在缝墩弧形门槽与底板接触部位的单元上，且应力值变化梯度较大，其周围单元应力值明显偏小，这是由Ansys 软件自身限制所产生的，可视为由模型结构有尖锐突角造成的应力集中，这种现象并不会随着网格的细化而改变，其结构本身应力值并未超过允许应力，结构也没有发生破坏

［4］

。

对于这个问题，在此将沿用这个应力值，将其作为配筋计算的一种安全储备。

3闸墩应力配筋3．1

应力配筋基本原理

根据《水工混凝土结构设计规范》中指出当由计算得出结构

在弹性阶段的截面应力图形，并按弹性主拉应力图形配筋时，可按下列原则处理：1）当应力图形接近线性分布时，

可换算为内力，按照一般的杆系或壳系构件进行配筋计算。2）当应力图形偏离线性较大时（如图8所示），可按主拉应力在配筋方向投影图形的总面积计算钢筋截面积A

s

［1］，并应符合下式要求：A s ≥KT /f y ，其

中，

K 为承载力安全系数；f y 为钢筋抗拉强度设计值，N /mm 2

；T 为由钢筋承担的拉力设计值，

N ，T =wb ，w 为截面主拉应力在配筋方向投影图形的总面积扣除其中拉应力值小于0．45f t 后的面积，

N /mm ，但扣除部分的面积不宜超过总面积的30%（如图8中的阴影部分所示），此处f t 为混凝土轴心抗拉强度设计值，N /mm 2；b 为结构截面宽度，

mm 。对于三维的复杂结构，截面上各点的主拉应力方向是不一致

的，

因此实际配筋中，很难沿主拉应力方向布置钢筋，一般近似以x ，y ，z 轴三个方向应力配筋代替，即按照正应力配筋［5］

。

0.45f t T

ω

Q 6

图8按弹性应力图形配筋示意图

3．2

闸墩应力配筋计算

根据上文2．5中有限元应力计算分析，选取工况二进行应力

配筋计算，

选取缝墩门槽、缝墩墩位、中墩门槽、中墩墩位处拉应力最大断面，并以此断面作为计算断面［6，7］

，各断面应力值如表3

表6所示。

表3

缝墩墩位最大拉应力截面节点应力

节点编号y 向应力/Pa x 向等效坐标/m

63812．35E +060．00064349．20E +050．15064335．44E +050．3008113

－5．83E +040．5758114－5．64E +050．8508115－1．13E +061．1258097

－2．18E +06

1．400

表4

缝墩门槽最大拉应力截面节点应力

节点编号y 向应力/Pa x 向等效坐标/m

71951．24E +060．0008103635740．2758102－4．90E +050．5508101－1．11E +060．8258094

－2．17E +06

1．100

表5

中墩墩位最大拉应力截面节点应力

节点编号

y 向应力/Pa x 向等效坐标/m

247741．36E +060．00394884．81E +050．15389613．31E +050．3041535－152270．6041507－2．73E +050．9041479－5．37E +051．2036550－9．66E +051．5036549－1．11E +061．6536059

－2．50E +06

1．80

表6

中墩门槽最大拉应力截面节点应力

节点编号y 向应力/Pa x 向等效坐标/m

413606．60E +050．0414********．341441－2．97E +050．641442－6．09E +050．941432

－1．61E +06

1．2

表7

应力配筋计算表

配筋

截面

缝墩墩位

缝墩门槽中墩墩位中墩门槽单宽/mm 1000100010001000墩宽/mm

1400110018001200计算配筋A s 计算/mm 21306．234549．319751．123307．887最小配筋率A s min

/mm 2

2700

2100

3500

2300

根据以上各截面节点应力对闸墩配筋，配筋方式采用3．1中所述的第2）种情况，计算参数参照《水工混凝土结构设计规范》选取，承载力安全系数K 取1．35，

C25混凝土轴心抗拉强度设计值·

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