太浦河泵站底板结构有限元计算与原型观测分析 .docx

工程建筑学相关资料ENGINEERING ARCHITECTURE RELATED INFORMATION 工程建筑学相关资料 ENGINEERING ARCHITECTURE RELATED INFORMATION PAGE PAGE 1 太浦河泵站底板结构有限元计算与原型观测分析  摘要：本文通过对太浦河泵站底板、顶板和地基进行整体三维有限元分析，全面掌握结构的应力和变形情况，据此指导结构的布置和配筋。通过对泵站进行原型观测和分析，验证计算结果的合理性，并对泵站结构功能的安全性做出评价。 关键词：太浦河泵站 底板 流道 有限元分析 原型观测 1 概述太浦河泵站主泵房采用堤身式布置，安装有6台斜15o轴伸泵，泵站设计总流量为300m3/s。为满足伸缩缝的设置要求，采用二机一缝的布置方式，因此泵房共分三块底板，单块底板顺水流方向长40.45m，宽22.5m，厚2m，流道顶板顶厚约1.2m。因泵房基础应力大于其持力土层的地基承载力，经对地基处理方案进行技术经济综合比选后，采用水泥土搅拌桩复合地基加固方案进行地基处理。主泵房北端布置安装间，南端布置35kV变电站。太浦河泵站主泵房底板在整个泵房结构中占有重要地位，且底板平面尺寸大，结构布置和地基条件复杂，在类似工程建设或运行中，流道顶板均出现裂缝或漏水等现象。为保证太浦河泵站结构设计的正确合理，防止泵房底板、流道顶板等出现裂缝，设计委托河海大学力学研究所对泵房底板和流道进行了整体三维有限元分析，通过计算了解泵房底板和流道的应力和变形的大小和分布，指导相应部位的结构布置和配筋。同时为验证计算结果的合理性，对泵房底板和流道进行了原型观测设计和研究。2 计算模型 为正确模拟结构的受力变形情况，计算模型考虑了地基－底板和底板－顶板的整体变形和变形连续的条件，计算模型取高程1.45m以下的流道、底板和地基进行整体三维有限元计算。采用空间协调等参单元对空间任意地基进行离散，上部结构则采用能够较好反映弯曲变形性能的空间非协调单元进行离散，运用空间组合有限元法求出结构任意点的应力。地基计算深度取48m，泵房上、下游各取20m，有限元模型见图1。 各分区材料的主要计　　　　 图1 有限元模型作者简介:孙卫岳(1965-)，男(汉族)，江苏苏州人，工学士，高级工程师，从事水工建筑物结构设计与工程管理算参数见表1。　　　　　　　　　　 表1　　　　　　　　 各分区材料主要计算参数分区弹性（变形模量）MPa泊松比容重（t/m3）底板、墩墙和顶板C20：2.60E4C25：2.85E40.1672.4水泥搅拌桩5000.202.1-14.2m高程以下土层2000.301.9 将1.45m高程以上排架等各种荷载导算到该高程上，分别进行了6种荷载组合工况计算，计算工况及其水位组合见表2。计算中还考虑了如下边界条件：安装间平均地基应力为120kPa，作为边荷载考虑，侧向土压力按静止土压力计算，地下水位按4.00m考虑。计算中采用了地基反力直线分布和搅拌桩地基两种地基模型。表2　　　　　　　　　　 计算工况和水位组合荷载组合计算工况进水侧水位（m）出水侧水位（m）基本组合完建工况-6.05-4.45设计运用工况11.703.34设计运用工况25.003.29特殊组合检修工况4.023.54校核运用工况15.503.29校核运用工况25.504.69 3 计算结果 （1）拉应力情况　　在完建工况，顺水流方向底板受拉，最大拉应力为1.45MPa（地基反力直线分布）和0.66MPa（搅拌桩地基），实际拉应力的值应该界于这两个值之间，可能会超过混凝土的抗拉强度。　　在完建工况，垂直于水流方向流道顶板受拉，最大拉应力分别达到了2.89MPa（地基反力直线分布）和1.32MPa（搅拌桩地基），发生在离泵房进水口距离为20.95m处的流道顶板上，该处顶板处于小偏心受拉状态，对应的弯矩和轴力分别为M=7.62t-m、N=192t/m（地基反力直线分布）和M=11.88t-m、N=47t/m（搅拌桩地基）。如果只考虑50%的边荷载，则流道顶板最大应力和内力降低30%~40%，说明边荷载对流道顶板拉应力的影响是很大的。　　检修工况是最不利工况，此时流道顶板和胸墙都处于受拉状态，最大拉应力分别达到1.61MPa和1.21MPa（搅拌桩基础），如果采用地基反力直线分布假定，则相应的最大拉应力分别为2.42MPa和1.94MPa，超过了混凝土的抗拉强度。（2）沉降情况 完建工况下，考虑100%边荷载，最大沉降发生在1#~2#号泵房边墩下游，为8.64cm，底板平均沉降为7.28cm。如果考虑50%的边荷载，最大沉降发生在3#~4#号泵房下游，为7.12cm，底