软件在丰满导流洞启闭机室设计中的应用

齐立伟，吕宏飞，郑玉玲，尹一光（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

软件在丰满导流洞启闭机室设计中的应用

齐立伟，吕宏飞，郑玉玲，尹一光
（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

结合丰满水电站泄洪兼导流洞进水口启闭机室设计实例，应用PKPM结构计算软件中的三维有限元计算方法，分析研究了结构在荷载作用下各部位应力应变状况，通过对计算结果的分析，对结构进行了合理的调整，同时验证了PKPM软件在水工结构设计中对结构布置、配筋、变形等均有相当重要的辅助作用。

有限元；丰满水电站；应力应变；启闭机室

1 工程概况

丰满水电站全面治理（重建）工程位于吉林省境内松花江干流上的丰满峡谷口，上游建有白山、红石等梯级水电站，下游建有永庆反调节水库。坝址距上游白山水电站210 km，距吉林市市区16 km。

泄洪兼导流洞布置在左岸山体内，为有压洞，全长846.02 m（进洞点至出洞点），由进口明渠段、井前压力段、进口闸门井、有压洞身段、出口闸室段及消能防冲段等部分组成。进口闸室设一道检修平板闸门和一道事故平板闸门，出口闸室设一道工作弧门。

2 计算结构分析

泄洪兼导流洞进口启闭机室为双层钢筋混凝土结构，第一层检修层高程278.25～296.50 m，层高18.25 m，上、下游墙体厚度1.0 m，左右侧墙厚0.5～1.0 m，上下游方向净跨14.60 m，左右方向净跨18.20 m，中间为1.0 m×9.70 m×15.20 m（宽×高×净跨）深梁；第二层启闭机层高程296.50～

306.10 m，层高9.60 m，启闭机层墙体厚度均为0.5 m。

因事故闸门侧与检修闸门侧次梁布置与基础作用位置基本对称，而事故闸门基础荷载较检修闸门基础荷载大，故运行工况计算时仅按启闭事故闸门考虑，地震工况计算时不与运行工况荷载相叠加。

根据建筑造型结构，在整个启闭机室高度（27.85 m）范围内，窗口均为1.2 m宽细长形状，将正面及背面墙体分割为多个混凝土独立结构，而启闭机室四角仍保持完整，按照此特点，将启闭机室整体按照框架－剪力墙结构进行计算。因启闭机室结构高耸，墙体被窗口分割不能形成完整的框架结构，使用传统计算方法无法精确计算，而用PKPM软件中的三维计算模块可以很好的解决这一问题。根据实现功能的不同PKPM软件由多个模块组成，这次计算分析仅使用其中的三维建模（PMCAD）、三维有限元计算（STAWE）及施工图钢筋配置（墙梁柱施工图）三个模块。

3 计算参数选取

1）根据地质报告，本区域属于7级地震烈度区域，本地区地震动峰值加速度为0.131 g，用PKPM软件进行计算时按照《建筑抗震设计规范》的规定，设防烈度采用7度，地震动峰值加速度采用0.15 g。

2）根据《建筑抗震设计规范》表6.1.2规定，当设防烈度采用7度、框架－剪力墙结构高度小于60 m时，其中框架结构抗震等级为三级，剪力墙结构抗震等级为二级。

3）根据《水工混凝土结构设计手册》，本地区基本风压为0.45，对于特别重要和有特殊使用要求的结构，乘以1.2的系数，则基本风压ω0＝0.45× 1.2＝0.54，地面粗糙类别取为B类。

4）结构重要性系数γ0＝1.1，剪力墙及框架柱混凝土保护层厚度为5 cm，主筋类型为HRB400，箍筋类型为HPB300。

其中启闭事故闸门时卷扬机基础荷载为：

检修门卷扬机基础自重荷载：

4 计算内容

4.1 建立实体模型

PKPM软件中的PMCAD模块可逐层地布置各层平面和各层楼面，具有较强的荷载统计和传导计算功能，除计算结构自重外，还自动完成从楼板到次梁，从次梁到主梁，从主梁到承重的柱墙，再从上部结构传到基础的全部计算。PMCAD模块除可建立整栋建筑的数据结构，还为PKPM系列其他功能模块提供数据接口。

按图形比例生成进口启闭机室的计算模型，根据进口启闭机室结构特点将整个启闭机室划分为三个标准层，第一标准层高度为9.75 m，至288.0 m高程圈梁顶部，第二层标准层高度8.50 m，至296.50 m高程板梁层，第三标准层高度9.60 m，至启闭机室屋顶板梁层。

第一层实体结构主要为正面及背面立柱、四角及两个侧面剪力墙、288.0 m高程圈梁，正面居中有4.5 m×7.0 m（宽×高）门洞，两侧面各有一条1.2 m宽窗洞，正面及背面墙体厚度1.0 m，侧面墙体上游侧厚度1.0 m，下游侧厚度0.5 m。第二层实体结构主要为正面及背面立柱、四角及两个侧面剪力墙、296.50 m高程板梁，296.50 m高程正面及背面梁高3.2 m，墙体厚度均为1.0 m。第三层实体结构主要为正面及背面立柱、四角及两个侧面剪力墙、306.10 m高程板梁，306.10 m高程屋中央梁梁高2.0 m，墙体厚度均为0.5 m。

三个标准层建立完成之后进行楼层组装，将之合并为启闭机室整体受力结构。

4.2 三维计算

PKPM软件中的SATWE模块是专门为高层结构分析与设计而研制的空间组合结构有限元分析软件，使多、高层结构的简化分析模型尽可能地合理，更好地反映出结构的真实受力状态。

SATWE采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。通过读取计算模型参数，SATWE软件可完成建筑结构在恒、活、风、地震力作用下的内力分析及荷载效应组合计算，进行活荷不利布置计算，对钢筋混凝土结构可完成截面配筋计算。

将风荷、地震作用、设计和配筋信息等参数输入后，程序自动进行有限元分析计算。计算结果可在程序中以图形及文本两种形式显示，其中包括混凝土构件配筋简图，梁弹性挠度、柱轴压比、长细比，各荷载工况下构件标准内力简图、结构空间变形简图等。

4.3 各构件施工图钢筋配置

PKPM软件中的“墙梁柱施工图”模块可直接根据SATWE模块计算结果，考虑规范中抗震、构造等要求，归并相近的钢筋，选择合理的钢筋直径、数量，最终给出各构件的配筋形式。现选取地震和运行工况中配筋最大的工况，并结合工程实际、考虑施工便利等原则，进行施工图阶段钢筋配置。

为方便比较，配筋表中各箍筋配置面积最终均转化为间距100 mm进行统计，墙水平及垂直钢筋面积均转化为间距200 mm进行统计。

4.4 计算结果分析

1）PKPM软件经过多年的发展完善，对于高层建筑混凝土结构整体三维计算已经相当成熟，将其作为进口启闭机室的设计依据，同时结合本行业相关规范和要求，所得出的计算结果可以更真实准确的反映本结构的受力状况。

2）这次计算仅对丰满进水口启闭机室296.50～306.10 m之间的墙体进行了配筋计算，296.50 m和306.10 m高程板梁配筋未计算在内，整个墙体作为框架－剪力墙结构进行计算，计算过程中将其细分为转角剪力墙、边侧剪力墙、柱、梁各个构件，每种构件的配筋型式各有不同。

3）启闭机室总高度27.85 m，属于高层建筑，而为满足建筑造型要求，门窗孔洞开孔紧凑且细长，对整体框架的形成造成一定的影响，尤其在地震工况状态下，结构下层将承担较大的剪应力，因此，在钢筋配置过程中，除严格按照《建筑抗震设计规范》的相关规定执行之外，还对启闭机室四个边角转角墙进行了加强。

4）最终实际配筋与程序计算所给出的钢筋有一定的出入，均有所增加，是考虑到三维软件计算有一定的局限性，是较理想的状态下的结果，实际施工过程中的一些不利因素无法控制，并且，为现场施工便利，有局部钢筋采用一致性原则取大值配置。

以PKPM软件为依据计算所得结果已应用于丰满泄洪兼导流洞启闭机室的设计施工中，工程建筑物已投入使用，至今运行状态良好。

TV551

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1002－0624（2017）02－0009－02

2016-11-10