某泵站前池三维有限元分析

赵 斌

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

某泵站前池三维有限元分析

赵 斌

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

结合某泵站的工程实例，采用三维有限元分析软件对泵站前池建立三维实体模型，分析了设计工况下结构应力，为工程设计提供了依据，对类似工程具有一定的借鉴意义。

泵站；前池；三维有限元；应力

1 概述

衡水市某泵站位于输水管线始端，由进水前池和泵房组成，设计流量1.15m3/s，设计扬程55.5m，泵站内布置4台水泵，3用1备。前池为钢筋混凝土结构，平面尺寸为19.7m×11.8m，底板顶高程10.40m，厚1.0m，边墙顶高程18.1m，厚0.7m。为便于水泵机组检修，前池内设置4孔检修闸，单孔宽3.9m，中墩厚0.9m。前池最高水位17.30m，设计水位15.00m，最低运行水位12.65m。

前池内布置有闸墩，底板、立墙、闸墩相互约束，当选取单宽板条进行二维简化计算时，较难准确考虑相邻板条间的变形协调及不平衡内力。因此，建立了三维模型对该泵站前池进行结构分析。

2 建立计算模型

结构分析采用ANSYS有限元软件进行。

2.1 模型选取范围

地基按半无限弹性体考虑，建立地基模型时按前池周围1倍底板尺寸取用，顺水流方向上下游各取11.8m，垂直水流方向两侧各取19.7m，厚度取20m，即地基实体模型尺寸为59.1m×35.4m×20m （长×宽×厚）。前池根据所拟定的几何尺寸生成三维实体模型。由于前池及其所受荷载沿顺水流方向轴线对称，为了减少单元、节点数量，从而节省计算时间，按照程序有关原则，对模型进行优化，取一半结构进行分析。泵站前池及地基三维实体模型如图1。

图1 泵站前池及地基三维实体模型

2.2 约束条件

地基底面及四周侧面均施加法向约束，根据对称结构受力特点，对于前池结构对称轴平面也施加法向约束。

2.3 材料属性

前池为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C30，容重25kN/m3，弹性模量3.0×104MPa。地基以粘土、壤土为主，综合变形模量取3.5MPa。前池周围回填土容重19.2kN/m3，粘聚力15kPa，内摩擦角18°。

3 计算与分析

3.1 荷载及计算工况

根据本工程特点结合类似工程拟定两种工况：①工况1：建筑物闭水试验，前池内最高水位17.3m，池外尚未填土；②工况2：完建工况，前池内无水，池外填土至设计高程。

结构所受主要荷载为：静水压力、侧向土压力、边荷载等。根据基本资料计算荷载并将其施加于三维模型，各工况荷载标准值有：

（1）前池底板顶面均布水压力67.6kN/m2，作用于立墙的三角形水压力分布荷载最大值67.6kN/m2。

（2）作用于前池立墙的三角形土压力分布荷载最大值71kN/m2，前池周围三角形边荷载最大值103.7kN/m2。

作用于前池底板的静水压力为均布荷载，作用于边墙的水压力、土压力按三角形分布荷载考虑，边荷载按梯形分布荷载考虑。

3.2 成果分析

经求解计算，得到结构应力、应变等成果，计算工况下泵站前池（左半边结构）主要应力云图如图2。

图2 泵站前池（左半边结构）计算工况应力云图

从计算成果可以看出本工程前池结构受力有以下特点：

（1）闭水试验工况前池较大拉应力主要分布在上游立墙与底板交接处及四周立墙交接处的迎水面，最大值3.38MPa。完建工况前池底板、立墙各部位应力均较小，相对较大的拉应力主要分布在底板上游侧及上游立墙根部，最大值1.05MPa。

（2）前池下游侧布置有闸墩，底板、立墙、闸墩相互约束，刚度较大，具有较强的抵抗变形能力，因此该区域整体呈现应力较小的特点。闸墩的布置减小了底板和下游立墙的跨度，大大改善了其受力状态。

（3）四周立墙除了受到底板的约束外，还受到相邻立墙的约束，因此，立墙的不同部位按所处的约束条件体现出不同的受力特点。上游立墙垂直水流方向较长，越靠近顺水流方向对称轴，其受力特点就越接近悬臂板，主受力方向为竖向，与底板衔接处应力最大。在相邻立墙衔接的部位，越远离底板，其受力特点越接近平面框架，主受力方向为横向，立墙顶部应力最大。

根据前池各计算工况下不同部位的应力空间分布特点和规律进行有针对性的配置钢筋。对于上游立墙与底板交接处及四周立墙交接处等拉应力较大的区域加强配筋，拉应力较小的部位、受压区等区域根据受力情况适当减少或按构造配筋。

4 结语

通过建立三维有限元模型进行结构分析，更加准确地考虑了构件间的变形协调条件，得到了结构的三维力学成果，反映出应力的空间分布，突破了二维计算简化模型的局限性，为工程设计提供了依据，使结构配筋更具有针对性，设计成果在技术上可靠的同时，经济上更加合理。

［1］龚曙光.ANSYS基础应用及范例分析（第一版）［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］龙驭球.弹性地基梁的计算（第1版）［M］.北京：人民教育出版社，1982.

［3］沈英武.弹性地基梁和框架分析文集（第一版）［M］.北京：水利出版社，1980.

［4］SL265—2001，水闸设计规范［S］.

［5］SL191—2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

Analysis of a pumping station forebay by means of the three-dimensional finite element method

ZHAO Bin
（The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China）

In this article，combined with the engineering example of a pumping station， stress of the pumping station forebay in consideration of design condition was analyzed by means of the three-dimensional finite element method，it provided the basis data for engineering design and could be a reference for similar engineering.

pump station； forebay； three-dimensional finite element； stress

TV222

B

1672-9900（2015）02-0031-03

2015-03-17

赵 斌（1978－），男（汉族），河北石家庄人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作，（Tel）13398610119。