流固耦合有限元分析在涝洲泵站流道设计中的应用

赵乙轲，孙忠园

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

在水工建筑物中，非杆非壳大体积的混凝土结构常用在泵站电站的流道、蜗壳、尾水管设计中。这些大体积结构都包含有不规则的流道曲线，其中承载的流体又带来较复杂的边界条件，无法视之为传统的杆系壳系构件进行受力分析，进而对总体方案的设计以及结构配筋的计算带来了不少困扰。随着有限元数值模拟技术的发展，复杂曲面可以离散化，流固耦合可以用软件模拟，大体积不规则混凝土可以进行应力分析，并使用弹性应力配筋法完成配筋设计。

1 工程介绍

涝洲灌溉站位于松花江拉林河口至哈尔滨江段CS 松20 断面到CS 松26 断面之间，松花江左岸。属于涝洲大型泵站更新改造工程中的核心泵站。泵站布置图如图1 所示。

主厂房位于进水口下游侧，泵房下部为混凝土箱型结构，长为39.42m，宽度为13.2m，上部结构为铰接混凝土排架结构，墙体采用承重砖砌体，净高9.56m。泵房由上至下共分五层，分别是安装间层、电机层、出水流道层、水泵层及进水流道层。

其中水泵层高程为112.0m，布置有6 台1400HD－9 立式导叶混流泵，其中1 台为备用机组，机组间距为6m，水泵基础位于114.0m，基础结构采用开敞式机墩。水泵出水管—虹吸驼峰式混凝土出水流道为本论文的计算分析对象。

图1 厂房主机间纵剖面布置图

2 模型建立

2.1 软件选择

当今可以进行流固耦合分析的有限元软件很多，比如ANSYS，ADINA，ABAQUS，还有通过调用专门流体分析软件FLUENT 的流场结果，再采用上述软件进行结构分析的方法［1］。本文三维实体建模平台采用了Autodesk 公司的AUTOCAD 以及Fusion，所以相应的有限元分析软件使用了Autodesk 的ALGOR。ALGOR 属于老牌有限元分析软件，在2009 年被Autodesk 收购之后，与其参数化建模软件(如Inventor)无缝集成，可以反复修改设计参数并随时导入分析。在工程应用方面，ALGOR 比上述其它软件更容易上手，对于不规则实体模型的容错率也相对较高。

2.2 模型及计算条件

本文采用软件模拟在最危险工况下，水流通过自身具有的动能和压能对流道外包混凝土边壁产生作用，此时针对混凝土流道以及整体支撑进行结构受力分析。在模拟过程中，对两种方案进行了建模:①外包混凝土流道底部不设支撑;②外包混凝土底部设一道混凝土墙做为底部支承。具体形式见图2、图3。

根据厂家提供的数据资料，流道内最大流量为8m3/s;考虑到工作人员的误操作情况以及起机时拱顶可能产生2－3Mpa 的大气压强;真空破坏阀室的均布荷载10KN/m2以及混凝土的自重。

有限元模型如图所示。模型宽度为一个机组段。模型与模拟范围之外的墙体接触采用固定约束。

图2 方案1 网格模型

图3 方案2 网格模型

模拟材料参数取值见表1。

表1 材料参数

3 模型计算与结果分析

1)流场由于两个方案的流道尺寸一样，所以流场模拟数据是一样的。流场模拟结果如图4 所示。本文的关注要点在于混凝土结构的应力与应变，流场结果只是必要的中间数据。

2)位移变形分析:模型的总位移云图如图5、图6 所示。

通过云图分布以及相应的数值可以清楚地看到，由于流道内顶拱处的负压，流道外包混凝土对下层板梁的作用，2 个方案都在驼峰顶拱以及流道下层板梁处产生了相对较大的位移。方案1 的最大位移出现在下层板梁的跨中，为0.1mm。方案2 的最大位移出现在流道顶拱，为0.07mm。

图4 流速场结果

3)模型的von mises 等效应力云图如图7、图8所示。

通过应力云图的分布和数值可以清楚的看到，由于两道竖墙对流道外包混凝土的支座约束作用，较大的应力产生在流道外包混凝土与墙体的交接处。除此之外，方案1 的下层板梁跨中出现了较大的应力。流道出口侧下部的腋角混凝土作为流道外包混凝土与墙体的扩大支座与传力路径，承受了相对较大的压应力。

图5 方案1 混凝土变形位移云图

图6 方案2 混凝土变形位移云图

图7 方案1 混凝土结构应力云图

图8 方案2 混凝土结构应力云图

获取两个方案同一位置节点的应力值进行对比，如表2 所示。

表2 应力对比

通过具体数据与图形的对比可以找到方案2 中应力明显被减小的部位，而方案1 中梁底的较大应力，在方案2 中则不存在这种情况。

4)综合结论:流道外包混凝土自身在空间上构成稳定三角形，所以底部支撑墙对于流道的变形和应力影响不大。关键在于流道外包混凝土向下传递荷载的过程中，对下层板梁产生了负担。虽然下层腋角混凝土承担了荷载并增大了传力截面，但如果不设置支撑墙，下层板梁跨中底部还会出现相对较大的应力。可以得出结论，流道外包混凝土下部设置支撑墙体是必要以及合理的。

4 弹性应力配筋法

通过有限元软件对模型的应力分析，可以得到不规则大体积混凝土任何一点的应力状态。这些数据以往是无法通过手算得到的。根据节点应力的大小和分布，可以对混凝土的配筋进行计算。

图7 方案1 配筋截面

《水工钢筋混凝土结构设计规范》［2］中对于非杆件体系的混凝土配筋进行了原则说明:计算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，对于应力图形偏离线性较大时，可按主拉应力在配筋方向的投影图形总面积计算钢筋截面积As，并应符合下式要求:

式中:K 为承载力安全系数;fy为钢筋抗拉强度设计值，N/mm2;T 为由钢筋承担的拉力设计值，N，T=ωb;ω 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0.45 ft后的图形面积，N/mm，但扣除部分不宜超过总面积的30%。ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm2;b 为结构截面宽度，mm。

当弹性应力图形的受拉区高度大于结构截面高度的2/3 时，应按弹性主应力在配筋方向的投影图形的全面积计算受拉钢筋截面积。

采用设计规范中的方法，本文对方案1 流道外包混凝土拱顶处的环向钢筋进行了计算。首先对计算截面节点进行了选取，通过软件可以比较方便地查询到节点在配筋方向(坐标Y 方向)最大主应力的投影分量。沿截面路径得到节点在Y 方向的最大主应力分量面积如图7 所示:

图8 最大主应力Y 向投影面积

根据图形求得面积ω =188 321 N/m，取单宽1m，T=188321N。

As=188321×1.2/300=753mm2，可配φ16 间距250mm 的钢筋。根据规范7.2.2 条进行抗裂验算，满足规范要求。根据混凝土受力钢筋的最小配筋率，采用φ20 间距250 mm。

5 总 结

现有的有限元计算软件已经可以完成从流体模拟到结构受力一系列的流固耦合分析计算。能够求解大体积混凝土在复杂流道水流作用下，整体结构应力的大小与分布，找到最不利的危险点，并进行相应的配筋和抗裂计算。这对于整体结构形式的布置，构件断面的拟定都是有一定指导和参考意义的。如今使用软件进行三维应力配筋已经非常普遍。已有设计院对其进行二次开发做出了更加智能的设计界面，大大提高了设计效率。但对于有限元软件计算的结果，还是需要通过经验和常规手算去复核，与已建工程的应力应变监测数据进行对比。

［1］周天情.充流管道的流固耦合计算方法研究［D］.杭州:浙江大学能源工程学系，2011.

［2］中华人民共和国水利部.SL—191—2008 水工混凝土结构设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2008.