AUTOCAD/ANSYS在盘石头水库泄洪洞高进水塔工程中应用*

郑州大学环境与水利学院 赵晓西

黄河勘测规划设计有限公司 李 英

上海应用技术学院 赵海燕

AUTOCAD/ANSYS在盘石头水库泄洪洞高进水塔工程中应用*

郑州大学环境与水利学院 赵晓西

黄河勘测规划设计有限公司 李 英

上海应用技术学院 赵海燕

为了将大型有限元通用程序ANSYS更好的适用于实际工程，实现有限元法与工程设计紧密结合，形成结构分析、校核、优化设计CAD技术一体化。本文，笔者采用专门为ANSYS的三维线弹性有限元静动力计算结果而编制的后处理程序对河南省鹤壁市盘石头水库高进水塔进行内力分析，为工程设计提供了可靠的依据，解决了工程实际问题。

目前，一般的工程结构分析问题，都可以直接用通用程序求解，不必再花费精力和时间另编计算程序。由于进水塔体型复杂，结构力学方法在切取具有代表性的危险截面时，很难顾及到每个部位，有些部位取水平断面会由于难以找到合适的支座而无法计算，只有取竖直断面计算。根据进水塔孤立高大及塔身双向受力的特点，早期的应力分析方法是首先假定结构与地基刚性连接，在进水塔的不同高程上截取有代表性的截面取单位高度成为平面框架，用以分析结构的水平向应力；在顺水流或垂直水流方向上切取竖向剖面选单宽而成为多层平面框架，用来分析结构的铅直向应力。把重力、土压力和静水压力等简化为均布荷载作用到各杆件上进行静力分析；以质量乘以某惯性综合系数作为地震惯性力，利用Westergaard近似公式计算出动水压力作为静荷载加到结构受力的最大方向上进行最不利组合拟静力应力分析。这种方法就是现行的结构力学方法。

一、工程实例

盘石头水库是海河流域卫河支流淇河上的一座大型水库，坝址位于河南省鹤壁市西南15km的盘石头村附近。水库的任务以防洪、工业及城市供水为主，兼顾农田灌溉、发电、养殖等。水库总库容6.08亿m3，属大（2）型水库，主要建筑物有：大坝、泄洪洞、溢洪道、输水洞及电站等。工程等级为二等，大坝、泄洪洞、溢洪道、输水洞按2级建筑物设计，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为2000年一遇，地震设防烈度7度。水库特征指标及主要建筑物运用方式见表1。

盘石头水库泄洪洞分为两条，布置在右岸鸡冠山下。两洞轴线夹角9.9866°，在进口处相距约160m，出洞后在下游尾水渠交汇。1号泄洪洞位于左侧，洞身位置较高，进口洞底高程215.0m，2号泄洪洞早期为导流洞，洞身位置较低，施工后期导流洞进口封堵，改建成龙抬头型式，进口洞底高程也是215.0m，两洞均为无压隧洞。1号泄洪洞与2号龙抬头洞进口闸室布置形式及尺寸完全相同，工程布置如下：闸室前为混凝土圆弧翼墙连接段，闸室段长度30.0m，采用设压板的有压短管体型，设一道事故平板检修闸门，闸门尺寸6.5m×7.8m（宽×高），用一台4000kN固定式卷扬启闭机启闭。检修门后设弧型工作钢闸门，闸门尺寸为6.5m×6.5m（宽×高），采用单吊点摇摆式1600kN/320kN油压启闭机启闭。进口段顶板采用x2/8.52-y2/3.42=1椭圆曲线，两侧墙不收缩，检修门槽采用Ⅱ型门槽，弧形门前顶部压板坡度为1∶4。闸室末端为6.5× 8.1m（宽×高）的矩形。闸室上部竖井采用全封闭的钢筋混凝土框架式结构，断面为矩形，检修门井与工作门井之间设隔墙。检修门井在261.0m高程设检修平台，工作门井在233.69m高程设工作平台，安放油压启闭机及油缸。操纵室设在278.0m高程，房屋净高为6.0m，设有交通桥连接通往大坝的交通道路。

表 1 水库特征水位及正常运行期主要建筑物控制运用方式

盘石头水库泄洪洞进水塔塔顶高程▽278m，操纵室顶高程▽285.5m。塔体宽11.5m，基岩面高程▽211m，总高度67m，最大长度30m，塔体沿顺水流方向对称。塔体下游高程▽245m以下与山体间用回填混凝土和回填石渣充填。回填石渣要求分层夯实，回填料可以利用开挖出的强弱风化石渣。基岩面高程的存在增加了进水塔的稳定性，弧形工作门支铰部位流道侧墙背靠高程▽211m至▽245m，坡度1∶0.3的岩体。塔上设备的重量就整个塔体来看相对较小，但就局部而言又是较大的，这些重力通过梁板传至塔体毋庸置疑地会在局部产生集中应力。

由于工程地位重要，自然条件复杂，泄洪建筑物体型和受力情况均较特殊。采用一般的结构力学设计方法，考虑的因素和边界条件过分简化担心失真，特别是塔体的地震反应分析问题。因此，采用线弹性三维有限元法对2号泄洪洞进水塔进行了结构应力分析与论证。

二、程序介绍

MPML是专为ANSYS的三维线弹性有限元静力计算结果的内力分析而编制的后处理程序，功能齐全且使用简单，是在DigitalVisualFortran5.0版本上完成并运行的。它根据ANSYS三维8结点单元的应力计算结果，将指定断面的应力转化为内力，可以求出指定断面指定构件的轴力N、剪力Q和弯矩M，并生成内力的描述文件（.SCR文件），通过AutoCAD可以实现内力图的显示与打印输出。在用ANSYS进行有限元分析之后，会产生一系列数据文件。将分别存放着结构的单元结点坐标信息和应力计算结果的基本参数数据文件，按一定的格式输入储存在NODE和STR文件中。MPML将要从这两个文件中读取这些信息，以供内力计算之用。

三、截面内力计算基本原理

如图1，OX为截面法线方向，且为截面的中性轴，OY为截面的切线方向，S1、S2和q1、q2为至中性轴距离为y1、y2的正应力和剪应力，截面的高度为2h。由结构力学中截面内力分量的基本概念，可以推导出截面内的轴力、剪力和弯矩的计算公式为：

四、计算结果

盘石头水库高进水塔塔顶高程278m，操作室顶高程285.5m，塔体宽11.5m，基岩面高程211m，总高67m，最长为30m，塔体沿顺水流方向对称。有限元计算对称模型左半塔体及地基共剖分32665个空间块体单元，36116个节点。

绘制出进水塔工作门挡水和检修门挡水两种工况指定截面的内力分布情况，准确地表明了进水塔结构水平面内和铅直面内的受力特点，如表2所示。

由于用结构力学法计算框架中的杆，前提是杆件的几何特征是横截面尺寸要比长度小得多，即跨高比在8～12之间。而进水塔承受高水头的作用一般截面尺寸较大，切取出框架中的杆件明显具有深梁的性质，即跨高比L/H小于2.0～3.0。深梁通过压缩刚度和剪切刚度把荷载传到支座上，主要问题是抗剪及局部承压。另外，进水塔体型复杂，结构力学方法在切取具有代表性的危险截面时，很难顾及到每个部位，有些部位取水平断面会由于难以找到合适的支座而无法计算，只有取竖直断面计算。结构力学方法还无法解决例如弧形工作门支座处的应力集中现象。因此，进水塔的静力计算只用结构力学方法，存在有不足之处，计算结果只能是一种大致的估计，无法精确计算应力。

表 2 工作门挡水和检修门挡水两种工况指定截面最大静内力

由计算结果和内力图表分析看出，各个截面的静内力大都符合传统的结构力学规律。最大的轴向压力发生在工况关检修门挡水，位置在截面2，垂直Y轴方向高程219.0m水平剖面检修门槽处，其大小为483.26×10kN；最大剪力发生在工况关工作门挡水，其大小为112.99×10kN，位置在截面3；最大弯矩发生在工况Ⅲ关检修门挡水截面五，其大小为113.39×10kN·M，垂直X轴方向桩号0+079.3m竖直剖面进水塔下部结构。由ANSYS的三维有限元后处理程序MPML计算出的内力，很好地反映出了进水塔的内力分布具有结构力学特征，所以采用结构力学方法进行结构的初步设计基本上是可行的，但在局部区域中应参考三维有限元的计算结果。对于进水塔结构采用三维有限元进行计算，可以更好地反映地基特性、边界条件和结构的整体性，使设计更为经济、合理和安全可靠。

本文，笔者讨论了进水塔结构应力分析研究方法，选用能准确模拟原结构的空间三维有限单元法，对盘石头水库泄洪洞进水塔在四种荷载组合工况下，应力分布的一般规律作了系统分析。

由计算结果和内力图表分析看出，各个截面的静内力大都符合传统的结构力学规律。最大的轴向压力发生在关检修门挡水工况，位置在截面2，垂直Y轴方向高程219.0m水平剖面检修门槽处，其大小为483.26×10kN；最大剪力发生在关工作门挡水工况，其大小为112.99×10kN，位置在截面3；最大弯矩发生在关检修门挡水工况截面5，其大小为113.39×10kN·M，垂直X轴方向桩号0+079.3m竖直剖面进水塔下部结构。由ANSYS的三维有限元后处理程序MPML计算出的内力，很好地反映出了进水塔的内力分布具有结构力学特征，所以采用结构力学方法进行结构的初步设计基本上是可行的，但在局部区域中应参考三维有限元的计算结果。对于进水塔结构采用三维有限元进行计算，可以更好地反映地基特性、边界条件和结构的整体性，使设计更为经济、合理和安全可靠。运用ANSYS解决工程实际问题，应充分发挥其优点，结合本专业的特点开发出使用方便、操作简单的专用分析软件，这也是通用程序的一个发展方向。

浙江省新世纪高等教育改革·生产实践改革与探索研究（ZC2010122）。