太浦河泵站底板結構有限元計算與原型觀測分析

1、太浦河泵站底板構造有限元計算與原型觀測分析摘要：本文通過對太浦河泵站底板、頂板和地基進展整體三維有限元分析，全面掌握構造的應力和變形情況，據(jù)此指導構造的布置和配筋。通過對泵站進展原型觀測和分析，驗證計算結果的合理性，并對泵站構造功能的平安性做出評價。關鍵詞：太浦河泵站底板流道有限元分析原型觀測1概述太浦河泵站主泵房采用堤身式布置，安裝有6臺斜15軸伸泵，泵站設計總流量為3003/s。為滿足伸縮縫的設置要求，采用二機一縫的布置方式，因此泵房共分三塊底板，單塊底板順水流方向長40.45，寬22.5，厚2，流道頂板頂厚約1.2。因泵房根底應力大于其持力土層的地基承載力，經(jīng)對地基處理方案進展技術經(jīng)濟綜

2、合比選后，采用水泥土攪拌樁復合地基加固方案進展地基處理。主泵房北端布置安裝間，南端布置35kV變電站。太浦河泵站主泵房底板在整個泵房構造中占有重要地位，且底板平面尺寸大，構造布置和地基條件復雜，在類似工程建立或運行中，流道頂板均出現(xiàn)裂縫或漏水等現(xiàn)象。為保證太浦河泵站構造設計的正確合理，防止泵房底板、流道頂板等出現(xiàn)裂縫，設計委托河海大學力學研究所對泵房底板和流道進展了整體三維有限元分析，通過計算理解泵房底板和流道的應力和變形的大小和分布，指導相應部位的構造布置和配筋。同時為驗證計算結果的合理性，對泵房底板和流道進展了原型觀測設計和研究。2計算模型為正確模擬構造的受力變形情況，計算模型考慮了地基底

3、板和底板頂板的整體變形和變形連續(xù)的條件，計算模型取高程1.45以下的流道、底板和地基進展整體三維有限元計算。采用空間協(xié)調等參單元對空間任意地基進展離散，上部構造那么采用可以較好反映彎曲變形性能的空間非協(xié)調單元進展離散，運用空間組合有限元法求出構造任意點的應力。地基計算深度取48，泵房上、下游各取20，有限元模型見圖1。各分區(qū)材料的主要計圖1有限元模型作者簡介:孫衛(wèi)岳(1965-),男(漢族),江蘇蘇州人,工學士,高級工程師,從事水工建筑物構造設計與工程管理算參數(shù)見表1。表1各分區(qū)材料主要計算參數(shù)分區(qū)彈性變形模量Pa泊松比容重t/3底板、墩墻和頂板20：2.60E425：2.85E40.1672

4、.4水泥攪拌樁5000.202.1-14.2高程以下土層2000.301.9將1.45高程以上排架等各種荷載導算到該高程上，分別進展了6種荷載組合工況計算，計算工況及其水位組合見表2。計算中還考慮了如下邊界條件：安裝間平均地基應力為120kPa，作為邊荷載考慮，側向土壓力按靜止土壓力計算，地下水位按4.00考慮。計算中采用了地基反力直線分布和攪拌樁地基兩種地基模型。表2計算工況和水位組合荷載組合計算工況進水側水位出水側水位根本組合完建工況-6.05-4.45設計運用工況11.703.34設計運用工況25.003.29特殊組合檢修工況4.023.54校核運用工況15.503.29校核運用工況25

5、.504.693計算結果1拉應力情況在完建工況，順水流方向底板受拉，最大拉應力為1.45Pa地基反力直線分布和0.66Pa攪拌樁地基，實際拉應力的值應該界于這兩個值之間，可能會超過混凝土的抗拉強度。在完建工況，垂直于水流方向流道頂板受拉，最大拉應力分別到達了2.89Pa地基反力直線分布和1.32Pa攪拌樁地基，發(fā)生在離泵房進水口間隔 為20.95處的流道頂板上，該處頂板處于小偏心受拉狀態(tài)，對應的彎矩和軸力分別為=7.62t-、N=192t/地基反力直線分布和=11.88t-、N=47t/攪拌樁地基。假設只考慮50%的邊荷載，那么流道頂板最大應力和內力降低30%40%，說明邊荷載對流道頂板拉應力

6、的影響是很大的。檢修工況是最不利工況，此時流道頂板和胸墻都處于受拉狀態(tài)，最大拉應力分別到達1.61Pa和1.21Pa攪拌樁根底，假設采用地基反力直線分布假定，那么相應的最大拉應力分別為2.42Pa和1.94Pa，超過了混凝土的抗拉強度。2沉降情況完建工況下，考慮100%邊荷載，最大沉降發(fā)生在1#2#號泵房邊墩下游，為8.64，底板平均沉降為7.28。假設考慮50%的邊荷載，最大沉降發(fā)生在3#4#號泵房下游，為7.12，底板平均沉降為6.07。4計算結果對工程設計和施工的指導泵房三維整體有限元計算分析說明，在完建工況，底板順水流方向和頂板垂直水流方向受拉，拉應力到達或超出混凝土的抗拉強度，減少邊

7、荷載對降低頂板拉應力有顯著效果，同時，邊荷載是引起泵房底板不均勻沉降的主要因素。根據(jù)計算分析結果，工程設計做了下述調整：1流道頂板在垂直水流方向，按偏心受拉構件進展構造配筋計算，重新調整了頂板的配筋，對拉應力較大的部位增加了配筋量。2安裝間和35kV變電站根底采用有地下一層的筏式根底，減小泵房兩側的回填土高度；同時，地基處理由原來的水泥攪拌樁復合地基改為灌注樁地基處理，將大局部的邊荷載直接傳至深層堅硬的持力層中，減少邊荷載對流道頂板拉應力和泵房底板不均勻沉降的影響。3調整施工方案，在完成泵房邊泵組段臨土邊墻施工，并到達其28d混凝土齡期后，先回填邊墻外側回填土，使邊墻處于受壓狀態(tài)，然后再澆注流

8、道頂板，使流道閉合，利用邊墻的側壓力削減完建期流道頂板的側向拉應力。5泵房底板沉降和應力觀測設計為了理解和監(jiān)測底板和頂板的受力變形情況，驗證計算結果的合理性，確保底板和流道的構造平安，對底板和流道進展了原型觀測設計。觀測設計的內容主要包括沉降、程度位移、根底受力、浸透壓力、沉降縫開合度以及底板和頂板鋼筋應力觀測等內容。泵房底板沉降和應力觀測設計布置如下：1在主泵房上、下游平臺上布置程度位移、沉降兼測點12只用以判斷主泵房有無發(fā)生裂縫、傾覆的可能，理解泵房在不同階段、不同工況下發(fā)生的沉降量。2為理解底板鋼筋在不同荷載作用下的鋼筋應力大小及過流前后應力重新分布狀況，選擇3#、4#泵組底板鋼筋作為觀

9、測對象，用鋼筋計觀測鋼筋應力。考慮到垂直于水流方向的鋼筋為主要受力鋼筋，故鋼筋計主要沿垂直水流方向布置，共選取了六組觀測斷面，每個斷面的上下層鋼筋上各安裝一只鋼筋計，共12只，同時，為理解順水流方向鋼筋的受力情況，在順水流方向也選取了兩組觀測斷面，每個斷面的上下層鋼筋上各安裝一只鋼筋計，共4只。3在流道頂板內部順水流方向選取兩組觀測斷面：一組根本在3#泵組的中心線上，鋼筋計垂直于水流方向布置；一組根本在4#泵組的中心線上，鋼筋計順水流方向布置。特別是在離進水口20.95流道頂板處，該處三維有限元計算分析拉應力達2.89kPa，設計按照小偏心受壓受拉構件進展配筋，該處共配置了三層鋼筋，考慮到該部

10、位受力較大，故在該部位各布置三根鋼筋計。其余部位鋼筋計在上下層鋼筋上成對布置。流道頂板內部共布置鋼筋計14只。6原型觀測及資料分析1沉降觀測與分析沉降數(shù)據(jù)說明，完建期底板的最大沉降量為42.6，最大沉降點位于靠近35kV變電站邊墻的上游側。最小沉降量為10。整個泵房底板的完建期的平均沉降量為26，最大沉降差為32.6。沉降量和沉降差均遠小于標準的允許值。實測值的分布規(guī)律與計算比較吻合，但數(shù)值小于計算值。2應力觀測與分析上游頂板垂直水流方向鋼筋應力在初期表現(xiàn)為受拉，隨著泵房兩側填土以及35kV變電站和安裝間的施工的進展，該局部鋼筋計的拉應力逐漸減小，且開始有較小的壓應力出現(xiàn)，最后測值穩(wěn)定在零值附

11、近。下游流道頂板垂直水流方向鋼筋的應力主要表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，隨時間的推進壓應力呈增大趨勢。這說明泵房兩側填土對削減流道頂板側向拉應力產生了顯著的作用，同時也說明35kV變電站和安裝間下的樁根底對減小邊荷載對流道頂板側向拉應力也起到了作用。觀測說明，流道頂板實際上沒有出現(xiàn)計算中所產生的垂直水流方向的拉應力，只是在下游流道頂板靠近多葉拍門通氣孔處順水流方向的鋼筋出現(xiàn)了拉應力，但其數(shù)值很校上游頂板順水流方向鋼筋開始表現(xiàn)為受拉，但隨著時間的推移也轉變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。底板鋼筋以受壓為主，只是在順水流方向局部出現(xiàn)很小的拉應力。這個規(guī)律與計算相符。7完畢語通過對太浦河泵站泵房底板和流道進展三維整體有限元分析，并進展了觀測設計，設計根據(jù)三維整體有限元分析計算結果，采取了一定的工程措施，對原設計方案進展了相應的調整。同時通過對泵房沉降以及底板和流道頂板應力的原型觀測資料分析，來驗證計算結果和所采取工程措施的科學合理性和效果。上述工作說明：1太浦河泵站泵房底板和流道的三維有限元分析對工程設計和施工起到了積極的指導作用，特別是對指導構造配筋，防止流道頂板和底板混凝土開裂有重要意義。2原型觀測說明，太浦河泵站泵房底板和流道頂板的應力和位移狀態(tài)滿