溢洪道闸室底板及翼墙有限元配筋计算分析★

陶警圆 张元泽

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

溢洪道作为土石坝最主要的泄水建筑物，其运行稳定直接关系到大坝结构的安全，闸室作为溢洪道的重要组成部分，其结构设计在整个溢洪道设计中显得十分关键。采用传统方法对此类水工大体积混凝土进行精确的应力分析有相当的难度，进而影响结构的配筋设计。因此如何对大体积混凝土结构进行精确的应力计算和配筋是工程设计中十分关注的问题。本文以猴子岩溢洪道闸室底板及翼墙配筋设计为例[1]，采用有限元分析方法及ANSYS软件进行应力计算，求得各工况下结构的应力分布情况，通过应力积分将应力转化为内力，从而确定结构的配筋情况。

1 有限元模型和参数

由于结构的单向尺寸远大于其余两向，满足平面应变的计算条件，因此采用平面有限元计算方法来简化计算。翼墙墙体选用平面结构单元(Plane42单元)，库水选用平面流体单元(Fluid29)，采用四边形映射网格进行划分，网格尺寸控制在不大于0.5 m，翼墙与水交界面设置流固耦合边界，有限元网格见图1。

翼墙混凝土强度等级为C30，溢流堰抗冲耐磨混凝土等级为C35，底板混凝土等级为C20，模型岩体等级主要为Ⅲ2类，岩体的变形模量和抗剪强度取地质建议值平均值，材料的主要物理力学参数见表1。

表1 材料主要物理力学参数计算取值

选取受力情况最为不利的溢洪洞进口处断面，正常运行工况下，翼墙内侧无水，主要荷载包括自重、翼墙上水重、翼墙外侧静水压力、底部扬压力、波浪压力。底部扬压力考虑0.5的折减系数，计算浪压力为51 kN，作用在正常蓄水位高程左翼墙上。右侧翼墙外侧静水压力，考虑排水管的作用，取水头26.5 m，底部考虑0.5的折减系数。

水平向地震加速度ah取297gal, 根据规范，竖直向地震加速度取水平向的2/3，所以av取198gal。

2 基于有限元法的配筋方法

2.1 配筋原理

非杆件体系大体积混凝土，根据规范DL/T 5057—2009水工混凝土结构设计规范，附录D中相关规定：无法按杆件结构力学方法求得截面内力的钢筋混凝土结构，可由弹性力学分析方法求得结构在弹性状态下的截面应力图形，再根据拉应力图形面积，确定承载力所要求的配筋数量[2]。

有限元配筋计算中可认为断面的拉力值全部由钢筋来承担，配筋量采用有限元计算成果，参考其他工程经验确定。根据规范，对截面上的拉应力进行积分，得到各断面的拉力值，受拉钢筋截面配筋面积As满足式(1)要求[3]：

(1)

其中，σt截面环向拉应力；As为单宽钢筋配筋面积；T为截面单宽弹性总拉力；l为拉应力区分布长度；fy为钢筋抗拉强度设计值，取360 N/mm2；γd为钢筋混凝土结构系数，取1.20。

假定配筋层数为a，钢筋截面面积为A1，钢筋间距为d(单位为cm)，则单位延米范围内的配筋满足以下关系式：

(2)

2.2 应力计算

通过计算得出，正常运行工况下，各向应力分布见图2,图3，从图中可以看出，横向正应力最大值为0.186 MPa，方向向右，位于翼墙顶部，竖向应力最大值为1.52 MPa，方向向上，位于左翼墙墙趾处。

地震工况时，各向应力见图4,图5。从图中可以看出，横向正应力最大值为7.45 MPa，方向向右，位于左侧翼内侧底部，竖向应力最大值为9.17 MPa，方向向上，位于右侧翼墙墙踵处。

2.3 应力积分

根据正应力云图，从断面出现的拉应力区中选取拉力值最大的路径，积分路径示意图见图6,图7。根据应力成果和应力积分路径按照式(1)进行应力积分，得到拉力值后，按照式(2)进行配筋计算，计算成果如表2所示。

通过计算结果可见，正常运行工况下，X向最大拉力值很小，181 kN，只需构造配筋；Y向最大拉力值出现在左侧翼墙1 807 m高程截面(path4)，最大值为279 kN，配筋面积931 mm2。

地震工况，X向最大拉力值出现在底板靠近左侧翼墙内侧截面(path1)，最大值为15 404 kN，配筋面积为51 346 mm2，靠近右侧翼墙内侧上部截面(path2)拉力值5 064 kN，配筋面积16 881 mm2，下半截面(path3)拉力值5 641 kN，配筋面积18 802 mm2；Y向最大拉力值出现在左侧翼墙1 807 m高程截面(path4)，最大值为19 416 kN，配筋面积64 719 mm2，右侧翼墙1 807 m高程截面(path5)，拉力值4 151 kN，配筋面积13 837 mm2。经分析对比，工程的实际配筋量与本计算的配筋量基本相当，此配筋方法可满足工程实际的要求。

表2 沿路径积分配筋成果

3 结语

采用有限元法计算结构的应力,根据应力分布结果进行沿应力路径积分的配筋方法能够得到精确的应力分布成果，并且能够清晰明了地反映应力分布规律与钢筋布置型式之间的关系，计算结果能够满足规范的要求，对大体积混凝土的配筋设计具有广泛的应用价值。

参考文献：

[1] 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.四川省大渡河猴子岩水电站可行性研究设计报告[R].2009.

[2] 刘玲玲，吴永恒.有限元法在大体积混凝土结构配筋计算中的应用[J].人民长江，2012,43(17):21-24.

[3] 张元泽，黄志澎，牟高翔，等.大岗山拱坝廊道三维静力线弹性有限元分析及配筋方法研究[J].水电站设计，2014(2):13-16.