馬志軍，李曉慶，俞 偉

（1.新疆伊犁州水利電力勘察設(shè)計研究院，新疆伊寧，835000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

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基于ABAQUS模擬的消力池邊墻加固方案優(yōu)化

馬志軍1，李曉慶2，俞 偉2

（1.新疆伊犁州水利電力勘察設(shè)計研究院，新疆伊寧，835000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

以新疆齊古水庫導(dǎo)流洞后消力池高、薄擋土墻為研究對象，借助ABAQUS軟件對其加固方案進行有限元分析和比選，得到最優(yōu)的拉桿布置形式。分析結(jié)果表明：消力池大部分部位為受壓狀態(tài)，局部拉應(yīng)力區(qū)控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，拉桿支撐后結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻，變形量不大，滿足設(shè)計要求，為解決實際工程中結(jié)構(gòu)加固問題提供了參考依據(jù)。

消力池；拉桿；擋土墻；拉應(yīng)力；有限元分析

消力池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對水利工程安全運行影響重大。受消能效能需要、地形地質(zhì)條件限制，往往需要修建高而截面尺寸相對較薄的擋土墻，這類高、薄擋土墻將帶來一定的安全隱患，需要進行結(jié)構(gòu)加固。由于加固形式、結(jié)構(gòu)空間布置可選擇余地較大，若采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，計算工作繁瑣，工作量大?；诖?，借助通用有限元軟件ABAQUS進行應(yīng)力復(fù)核及加固方案比選，并為其配置鋼筋和抗剪、抗裂驗算提供計算依據(jù)。

1　工程概況

新疆齊古水庫工程導(dǎo)流洞后消力池為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池寬12.5 m，擋土墻高17.5 m，消力池最高水位975.83 m，對應(yīng)池內(nèi)水深11.83 m，其橫斷面如圖1所示。擋土墻內(nèi)側(cè)直立，墻體外側(cè)左側(cè)為直壁擋墻，墻后為泥巖，開挖呈陡壁；右側(cè)為斜壁擋墻，墻后回填砂礫石，坡度1∶1.5。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)與原勘察情況有較大出入，并受工期限制，消力池池深較原設(shè)計有所增加，設(shè)計變更為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)尺寸，考慮在后期進行結(jié)構(gòu)加固。

圖1　消力池結(jié)構(gòu)橫斷面圖Fig.1 Cross sectional view of the structure of stilling basin

2　ABAQUS計算模型參數(shù)及計算方法

消力池結(jié)構(gòu)所用混凝土強度等級為C30。地基為泥巖，承載力280 kPa，右側(cè)擋土墻墻背回填料為砂礫石，承載力250 kPa。各種材料的物理性能指標(biāo)見表1。

表1　材料物理性能指標(biāo)參數(shù)Table 1 Physical properties of the material

選用承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式進行應(yīng)力校核，根據(jù)SL/T 191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［1］規(guī)定，結(jié)構(gòu)系數(shù)γd=1.2，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0= 1.0，設(shè)計狀況系數(shù)ψ=1.0。材料的設(shè)計值以及結(jié)構(gòu)變形限定值確定如下：混凝土抗拉強度設(shè)計值（C30）ft=Smax=1.50 MPa，抗壓強度設(shè)計值fc=Smin= 15 MPa，抗裂強度設(shè)計值Rf=1.90 MPa，混凝土的最大裂縫寬度限值ωlim=0.25 mm，受力鋼筋強度設(shè)計值fy=360 N/mm2，受彎構(gòu)件的允許撓度設(shè)計值為：Umax=L0/500=12.5/500 m=0.025 m=2.5 cm。

3　基于ABAQUS模擬的擋土墻加固方案比選

采用有限元軟件ABAQUS對消力池?fù)跬翂Y(jié)構(gòu)采用有橫向支撐的拉桿措施進行應(yīng)力復(fù)核及加固方案比選。消力池?fù)跬翂?nèi)力計算選擇了兩個工作狀況進行，一是消力池?zé)o水工況，二是有水工況（池內(nèi)水位11.83 m）。

3.1未設(shè)加固措施前消力池結(jié)構(gòu)校核

3.1.1消力池?fù)鯄ξ灰菩：?/p>

鑒于消力池?fù)跬翂Ω叨容^大，首先對其側(cè)向位移（撓度）進行復(fù)核，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值出現(xiàn)在無水工況下，位于右側(cè)擋墻頂部，位移值為0.76 cm＜2.5 cm，方向指向左，此位移變形將不影響墻后的土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［2］。

3.1.2消力池各截面應(yīng)力校核

在ABAQUS軟件計算模型中，在消力池邊墻、底板設(shè)置了7個控制性截面進行監(jiān)測（8-8、9-9、10-10截面為設(shè)置拉桿加固時的監(jiān)測截面），各截面位置如圖1所示。在兩種工況下結(jié)構(gòu)各個部位的應(yīng)力分布情況見圖2。由于結(jié)構(gòu)各部分壓應(yīng)力值較混凝土抗壓強度值低一個數(shù)量級，因此對結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力區(qū)進行了重點考察，結(jié)果見表2。

圖2　未設(shè)加固措施消力池結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖（單位：Pa）Fig.2 Stress distribution of the structure of stilling basin without strengthening measures（Unit：Pa）

無水工況下：消力池構(gòu)件拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在消力池底板7-7截面下側(cè)，為1.88 MPa＞1.5 MPa，意味著該處素混凝土將發(fā)生拉應(yīng)力破壞［3］，需要配置鋼筋來改善此處混凝土的受力條件。同時右側(cè)擋墻3-3截面斜墻底部外側(cè)也是受拉區(qū)，拉應(yīng)力1.68 MPa，也大于1.50 MPa。

表2　未設(shè)加固措施前消力池各截面的拉應(yīng)力值及分布情況Table 2 Distribution and value of the stress on sections of the stilling basin without strengthening measures

有水工況下：消力池結(jié)構(gòu)各部位拉應(yīng)力情況有所改善，拉應(yīng)力區(qū)主要位于消力池底板右端上側(cè)部位，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在消力池底板7-7截面下側(cè)，為0.40 MPa，小于1.50 MPa，不會發(fā)生拉應(yīng)力破壞。

3.2消力池?fù)鯄庸谭桨副冗x

根據(jù)已建成結(jié)構(gòu)特點，參考渡槽施工的經(jīng)驗和渡槽設(shè)計［4］的思路，對消力池?fù)跬翂Y(jié)構(gòu)采用有橫向支撐的拉桿措施進行加固，優(yōu)化方案中對拉桿的空間布置、截面尺寸均進行了比選，受篇幅限制，僅對特定拉桿截面尺寸下不同間距的方案比選過程進行分析。

消力池計算長度為11 m，采用深梁結(jié)構(gòu)作為拉桿支撐兩側(cè)邊墻，拉桿截面尺寸0.4 m×1.0 m，分別選擇布設(shè)3根、4根及5根拉桿作為比選方案。并在消力池結(jié)構(gòu)原控制截面基礎(chǔ)上增加3個監(jiān)測截面，均設(shè)置于拉桿上，如圖1所示。3個方案消力池各截面最大主應(yīng)力分析成果列于表3。

設(shè)置拉桿后，由表3可知：無水工況下，消力池底板7-7截面、邊墻3-3截面拉應(yīng)力區(qū)受力條件得到較大改善，整個消力池底板和邊墻應(yīng)力分布趨于均勻，最大拉應(yīng)力發(fā)生在4-4截面處，具有明顯的應(yīng)力集中特征，其值接近于1.50 MPa。有水工況下，消力池結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布均勻，拉應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移到了拉桿上，拉應(yīng)力分布在整個拉桿長度上，上、下側(cè)數(shù)值均在1.50 MPa附近，需配置鋼筋。

表3　消力池拉桿布置方案的最大主應(yīng)力值及其分布情況Table 3 Distribution and value of the maximum principal stress in the solution with tie bars

通過對比可知，3個方案中各截面應(yīng)力水平各截面應(yīng)力水平差別不大，考慮加固工程量因素，若采用拉桿加固措施，推薦方案1（設(shè)3根拉桿）。

3.3推薦方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

方案1消力池結(jié)構(gòu)及拉桿各部位在兩種計算工況下的應(yīng)力分布情況見圖3，控制性截面的拉應(yīng)力值及作用位置見表4。

消力池?fù)跬翂Π捶桨?進行加固后，無水工況下，消力池3-3截面底側(cè)的拉應(yīng)力由加固前的1.68 MPa減小到0.58 MPa，7-7截面下側(cè)的拉應(yīng)力由加固前的1.88 MPa減小到0.95 MPa，受拉桿的支撐作用，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到斜墻上部4-4斷面。有水工況下，受拉桿的拉力作用，消力池7-7截面上側(cè)的拉應(yīng)力由加固前的0.40 MPa減小到0.16 MPa?？梢娤鄬τ诩庸糖?，消力池結(jié)構(gòu)在設(shè)置拉桿后受力條件大為改善。

由于拉桿受拉區(qū)的應(yīng)力都在1.50 MPa附近，需要為拉桿配置鋼筋，利用計算出來的截面應(yīng)力，反求截面彎矩、軸力及剪力，消力池各截面的內(nèi)力計算值如表5所示。利用內(nèi)力計算結(jié)果可進行配筋計算［5］。

圖3　設(shè)拉桿時消力池結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖（單位：Pa）Fig.3 Stress distribution of the structure of stilling basin with tie bars（Unit：Pa）

表4　消力池控制性截面的拉應(yīng)力值及其分布情況（方案1）Table 4 Distribution and value of tensile stress on the controlled cross sections of stilling basin（Solution 1）

表5　拉桿控制性截面的內(nèi)力值及其分布（方案1）Table 5 Distribution and value of the internal force on controlled cross sections of tie bars（Solution 1）

4　結(jié)語

借助ABAQUS軟件，將渡槽拉桿的設(shè)計思路應(yīng)用到消力池?fù)跬翂庸讨衼恚瑢Ω鞣N擋墻加固方案進行了拉應(yīng)力值大小及分布的分析，可以比較便捷地得到優(yōu)選方案，同時還可以得到消力池結(jié)構(gòu)各個部位的內(nèi)力值及應(yīng)力值，清晰地看到各種工況下的應(yīng)力分布情況，為設(shè)計人員快速判斷結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)、采取何種加固措施以及配置鋼筋提供了設(shè)計依據(jù)。

［1］SL/T 191-2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］徐海清，吳佐蓮，閆運雷，等.淘金河大型預(yù)應(yīng)力拉桿拱渡槽結(jié)構(gòu)變形及穩(wěn)定性研究［J］.水利水電技術(shù)，2008，39 （2）：29-31.

［3］姜葵紅，和桂玲，李玉瑩，等.界河大型預(yù)應(yīng)力拉桿拱渡槽設(shè)計與研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2006（10）：66-70.

［4］李世平，謝三鴻，唐清華.南水北調(diào)中線工程某大型渡槽設(shè)計［J］.人民長江，2011，42（20）：31-34.

［5］張玉明，張高偉，劉國龍，等.南水北調(diào)沙河渡槽預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計與配筋優(yōu)化［J］.人民長江，2013，44（16）：9-11.

ABAQUS simulation-based optimization for reinforcement of high and thin retaining wall was adopted in the case of stilling basin side-walls behind the diversion tunnel of Qigu reservoir in Xinjiang. The best solution using bars strengthening was obtained.The results showed that most parts of the stilling basin was in compression state，the value of local tensile stress was controlled within the allowable range of the Specification，stress distribution of the structure became uniform，and the deformation was reduced.This method provided a reference for solving structural reinforcement in practical projects.

stilling basin；tie bar；retaining wall；tensile stress；FEM analysis

TV33

A

1671-1092（2016）02-0045-04

2015-10-18

馬志軍（1976-），男，新疆伊寧市人，工程師，主要從事水利水電工程勘測與設(shè)計工作。

作者郵箱：lixq_xj@163.com

Title：ABAQUS simulation-based optimization for reinforcement of stilling basin side-wall//by MA Zhijun，LI Xiao-qing and YU Wei//Yili Prefecture Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute