伍佑南闸站泵站结构空间有限元静力分析

常根朋

(盐城市水利勘测设计研究院，江苏 盐城 224002)

1 概 述

近几十年来，国家对修建泵站工程进行了大量投资，但在泵站设计中泵站结构的整体性和稳定性不容忽视。泵站结构是一个空间结构，只要某一局部结构施加荷载作用，整个结构都要受到影响，从而产生一定的应力应变，因此分析泵站结构的受力情况是一个空间问题。

目前的分析方法有材料力学法、结构力学法和有限元法。材料力学法[1]、结构力学法在泵站的应力分析计算中，是将复杂的空间结构简化为平面结构，所选取的截面是独立的[2]，与现实的结构受力情况是有差距的。

有限元法借助于功能强大的有限元应用软件，采用整体建模，充分考虑各个结构之间的相互影响作用，真实地反映出结构的应力应变情况，并且结果能够以应力应变云图的形式显示，清晰明了。

本文结合实际工程，采用大型ANSYS有限元分析软件对伍佑南闸站空间结构在不同工况、多种复杂荷载作用下的应力应变情况进行分析。经过成果的提取和查看，更加详实地展现了各结构部位的应力应变情况。

2 有限元分析方法[3]

有限元法是用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元求解各种力学、物理问题的一种数值方法，是矩阵方法在弹性力学和结构力学等领域中的应用和发展。有限元的计算主要是通过有限元模型建立、网格划分、单元分析、整体分析等步骤完成。

实体模型的建立：有限元软件为模型的建立提供了各种单元和材料用以模拟工程的真实情况。

网格划分：把原有的连续体划分为有限个单元体的过程，划分开的单元体之间通过单元节点相互连接。由节点、单元所构成的集合为网格。网格划分时应注意划分的数量、疏密，网格划分的质量直接影响计算精度。

单元分析：单元分析就是要建立节点位移与节点力之间的关系方程式。首先要确定一个单元内部位移的近似表达式，然后再求解单元的应力应变，最后建立单元中节点力和位移之间的关系式。

整体分析：是对全部单元组成的整体进行分析，建立节点作用力和节点位移之间的关系，从而求解出节点位移、节点力。

3 结构模型及荷载分析

3.1 工程概况

串场河伍佑南闸站泵房采用堤身式布置，泵房布置在通航孔两侧，每侧2孔，闸站中间设通航孔。泵站设计流量40 m3/s，装置单机流量为10 m3/s的竖井贯流泵4台套。单台机组泵室净宽5.6 m，泵站采用平直管式进水流道和虹吸式出水流道。泵房底板面高程为-3.00 m，底高程为-5.75～-4.50 m，顺水流向长30 m，站身上下共分3层。底板至高程-0.25 m之间为进水流道层，高程-0.25～3.80 m之间为工作层，高程3.80 m为巡视层。

通航孔净宽18 m，底板面高程为-2.50 m，底高程为-4.50 m，门槛和消力坎顶高程均为-2.00 m，顺水流向总长30 m。通航孔上方布置中控室，采用预应力砼箱梁结构，梁底高程为5.30 m，通航孔闸门采用钢质平面直升门结构形式。

3.2 模型建立

3.2.1 软件选择

随着ANSYS有限元软件在工程中的逐渐应用和推广，近些年来ANSYS在水利方面用来模拟大坝、水电站、泵站、水闸、渡槽等建筑物的力学行为具有较大的优势[4]，本文采用ANSYS有限软件对伍佑南闸进行了精细的空间应力应变分析。ANSYS的分析过程第一要建立实体模型，第二在建立模型的基础上划分网格，第三施加各工况下的荷载，最后进行有限元的分析计算。

3.2.2 材料参数

混凝土：采用C25混凝土，弹性模量为2.8e7kPa，泊松比为0.167，密度为2 500 kg/m3。

钢结构：弹性模量为2e8kPa，泊松比为0.2，密度为7 800 kg/m3。

3.2.3 模型建立

该模型的建立采用从下往上的建模方式，先点后线再面，最后成体的过程，这样的建模过程能够比较清楚地显示各局部结构的布置情况和各关键点的空间坐标，对于比较复杂的模型是比较适用的。此次模型的建立采取了比较精细化的建模方式，对泵站中的竖井式进水流道和倒虹吸式的出水流道采用实际尺寸建模。

考虑到模型进出流道中有较多的曲面和局部结构，在网格划分时比较细致，所以生成较多的单元。在计算的过程中，由于计算机计算能力不够强大，总是出现停止工作的情况，所以取模型的一半作为研究对象。为了比较好的模拟结构整体，在切开面处施加对称约束，这样简化了计算过程。本模型采用Solid单元，本模型共78个实体，上部泵站和通航孔及底板共有70个，泵站的上部模型结构见图1。

3.2.4 网格划分

网格的划分，针对比较规整的地基才有六面体实体单元划分。对于泵站的上部结构，由于进出水流道等不规则曲面的影响，采取四面体实体单元划分，上部结构划分单元555 891个，下部地基结构划分单元39 049个，整体网格划分单元600 489，划分节点138 029个，整体网格划分见图2。

图1 空间结构模型图

图2 模型网格划分图

3.2.5 模型约束

3.3 荷载分析

3.3.1 荷 载

作用在泵房上的荷载有自重、静水压力、扬压力、土压力、边荷载和其他荷载。

3.3.2 荷载组合及施加

荷载组合分为基本组合和特殊组合两类。基本组合由同时出现的几种基本荷载组成，正常蓄水位情况、设计洪水位情况都属于基本组合。在水工建筑物运行期内，两种特殊荷载同时出现的几率很小，因此特殊组合由同时出现的几种基本荷载和一种特殊荷载组成。校核洪水位情况、地震情况和施工情况都属于特殊组合。

本文对泵站进行了工况一、工况二、工况三和工况四的有限元静力分析荷载组合。见表1。

表1 荷载组合

注：①水位高程为3 m；②水位高程为3.3 m；③水位高程为1 m。

4 成果分析

本文主要是研究上部泵站结构的应力应变情况，由于篇幅有限，后期成果只提取了较为直观的上部泵站结构控制点位移及Y为10 m处剖面内力图。

（3）通过以下三点来稳定溶液的向上托力：设计循环流量380～450m3/h来稳定流量；将除镉槽内部DN500的玻璃钢进液管延长，形成向下切口；当溶液进入反应器时，在进液口受阻流板阻挡，形成收缩型，流量相同的情况下，流速增加，溶液的冲击力加大；把原来的除镉搅拌机电机功率由22kW提到30kW，搅拌机轴及桨叶保持不变。

模型的整体坐标：垂直水流向为X轴，顺水流向为Y轴，竖直向为Z轴；坐标原点位于泵站的下游侧进水口处，见图3。

图3 控制点位置示意图

4.1 控制点位移

为了更好了解整个结构的位移情况，在泵站底板面选取6个控制点，分别位于4个角点和中间位置，编号依次为1-6，各控制点在各种工况下各向的位移见表2-表4。

表2 控制点的X向位移数据

表3 控制点的Y向位移数据

表4 控制点的Z向位移数据

通过数据对比可以得出，合位移量最大值出现在工况一，相对位移量出现在工况二和工况四之间，相对最大位移量为0.487 cm，主要是由于浮托力和渗透压力和水重的影响，而校核期虽然水位差较大，但也导致了较大的渗透压力和浮托力，从而相比工况二略有减小的趋势；由工况二和工况三的位移量可以看出，在X向、Z向的位移量二者均相差不大，在Y向由于校核期上游水位的影响，工况三的Y向位移量较大一些。通过X向位移表格得出，在工况四条件下，泵站发生了较小的倾斜，上端倾向于岸边侧，下端滑向河道中心侧。

通过以上位移数据可以看出，发生的最大位移量2.796 cm，没有超出规范的要求，并且在控制点处的相互之间的位移差没有超过1 cm，可以得出该泵站具有较好的稳定性。

4.2 典型断面——Y为10 m处剖面第一主应力图

见图4。

图4 各工况剖面第一主应力云图

通过图4可以看出，泵站的整体截面大都在拉应力区，通过对模型在自重作用下的计算分析可以看出，在通航孔侧的边墩底部承受较大的拉应力，考虑其原因主要是因为通航孔上部排架自重作用，使得泵站底板出现拉应力区，但是数值大约在1～1.5 MPa之间，为了防止结构的拉裂破坏，建议对底板配筋。泵站进水流道的尖角位置出现局部拉应力区，考虑其原因主要是因为应力集中引起。

5 结 语

本文通过应用ANSYS有限元软件对伍佑南闸站进行空间有限元静力分析，较好地考虑了结构之间的相互作用，改善了常规计算方法在结构相互作用上的不足。复杂荷载施加和边界条件约束，在有限元分析中按照工程的实际状态施加，分析成果可以更真实地反映应力应变情况，为此类泵站的设计提供了参考依据。

根据在本次研究中的深刻体会，提出几点建议，在以后研究中可予以改进：

1) 近年来，多地地震情况频繁发生，介于泵站结构在城市发展中所处的重要地位，应该对泵站结构进行地震分析。

2) 有限元方法在近年来虽然被越来越广泛的应用，但是有限元在工程界还未能普及使用，对于有限元方面的规范相对缺少，限制了有限元方法进一步推广，建议在这方面有更多的研究补充。