齊立偉，呂宏飛，鄭玉玲，尹一光（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

軟件在豐滿導流洞啟閉機室設計中的應用

齊立偉，呂宏飛，鄭玉玲，尹一光
（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

結合豐滿水電站泄洪兼導流洞進水口啟閉機室設計實例，應用PKPM結構計算軟件中的三維有限元計算方法，分析研究了結構在荷載作用下各部位應力應變狀況，通過對計算結果的分析，對結構進行了合理的調整，同時驗證了PKPM軟件在水工結構設計中對結構布置、配筋、變形等均有相當重要的輔助作用。

有限元；豐滿水電站；應力應變；啟閉機室

1 工程概況

豐滿水電站全面治理（重建）工程位于吉林省境內松花江干流上的豐滿峽谷口，上游建有白山、紅石等梯級水電站，下游建有永慶反調節(jié)水庫。壩址距上游白山水電站210 km，距吉林市市區(qū)16 km。

泄洪兼導流洞布置在左岸山體內，為有壓洞，全長846.02 m（進洞點至出洞點），由進口明渠段、井前壓力段、進口閘門井、有壓洞身段、出口閘室段及消能防沖段等部分組成。進口閘室設一道檢修平板閘門和一道事故平板閘門，出口閘室設一道工作弧門。

2 計算結構分析

泄洪兼導流洞進口啟閉機室為雙層鋼筋混凝土結構，第一層檢修層高程278.25～296.50 m，層高18.25 m，上、下游墻體厚度1.0 m，左右側墻厚0.5～1.0 m，上下游方向凈跨14.60 m，左右方向凈跨18.20 m，中間為1.0 m×9.70 m×15.20 m（寬×高×凈跨）深梁；第二層啟閉機層高程296.50～

306.10 m，層高9.60 m，啟閉機層墻體厚度均為0.5 m。

因事故閘門側與檢修閘門側次梁布置與基礎作用位置基本對稱，而事故閘門基礎荷載較檢修閘門基礎荷載大，故運行工況計算時僅按啟閉事故閘門考慮，地震工況計算時不與運行工況荷載相疊加。

根據(jù)建筑造型結構，在整個啟閉機室高度（27.85 m）范圍內，窗口均為1.2 m寬細長形狀，將正面及背面墻體分割為多個混凝土獨立結構，而啟閉機室四角仍保持完整，按照此特點，將啟閉機室整體按照框架－剪力墻結構進行計算。因啟閉機室結構高聳，墻體被窗口分割不能形成完整的框架結構，使用傳統(tǒng)計算方法無法精確計算，而用PKPM軟件中的三維計算模塊可以很好的解決這一問題。根據(jù)實現(xiàn)功能的不同PKPM軟件由多個模塊組成，這次計算分析僅使用其中的三維建模（PMCAD）、三維有限元計算（STAWE）及施工圖鋼筋配置（墻梁柱施工圖）三個模塊。

3 計算參數(shù)選取

1）根據(jù)地質報告，本區(qū)域屬于7級地震烈度區(qū)域，本地區(qū)地震動峰值加速度為0.131 g，用PKPM軟件進行計算時按照《建筑抗震設計規(guī)范》的規(guī)定，設防烈度采用7度，地震動峰值加速度采用0.15 g。

2）根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》表6.1.2規(guī)定，當設防烈度采用7度、框架－剪力墻結構高度小于60 m時，其中框架結構抗震等級為三級，剪力墻結構抗震等級為二級。

3）根據(jù)《水工混凝土結構設計手冊》，本地區(qū)基本風壓為0.45，對于特別重要和有特殊使用要求的結構，乘以1.2的系數(shù)，則基本風壓ω0＝0.45× 1.2＝0.54，地面粗糙類別取為B類。

4）結構重要性系數(shù)γ0＝1.1，剪力墻及框架柱混凝土保護層厚度為5 cm，主筋類型為HRB400，箍筋類型為HPB300。

其中啟閉事故閘門時卷揚機基礎荷載為：

檢修門卷揚機基礎自重荷載：

4 計算內容

4.1 建立實體模型

PKPM軟件中的PMCAD模塊可逐層地布置各層平面和各層樓面，具有較強的荷載統(tǒng)計和傳導計算功能，除計算結構自重外，還自動完成從樓板到次梁，從次梁到主梁，從主梁到承重的柱墻，再從上部結構傳到基礎的全部計算。PMCAD模塊除可建立整棟建筑的數(shù)據(jù)結構，還為PKPM系列其他功能模塊提供數(shù)據(jù)接口。

按圖形比例生成進口啟閉機室的計算模型，根據(jù)進口啟閉機室結構特點將整個啟閉機室劃分為三個標準層，第一標準層高度為9.75 m，至288.0 m高程圈梁頂部，第二層標準層高度8.50 m，至296.50 m高程板梁層，第三標準層高度9.60 m，至啟閉機室屋頂板梁層。

第一層實體結構主要為正面及背面立柱、四角及兩個側面剪力墻、288.0 m高程圈梁，正面居中有4.5 m×7.0 m（寬×高）門洞，兩側面各有一條1.2 m寬窗洞，正面及背面墻體厚度1.0 m，側面墻體上游側厚度1.0 m，下游側厚度0.5 m。第二層實體結構主要為正面及背面立柱、四角及兩個側面剪力墻、296.50 m高程板梁，296.50 m高程正面及背面梁高3.2 m，墻體厚度均為1.0 m。第三層實體結構主要為正面及背面立柱、四角及兩個側面剪力墻、306.10 m高程板梁，306.10 m高程屋中央梁梁高2.0 m，墻體厚度均為0.5 m。

三個標準層建立完成之后進行樓層組裝，將之合并為啟閉機室整體受力結構。

4.2 三維計算

PKPM軟件中的SATWE模塊是專門為高層結構分析與設計而研制的空間組合結構有限元分析軟件，使多、高層結構的簡化分析模型盡可能地合理，更好地反映出結構的真實受力狀態(tài)。

SATWE采用空間桿單元模擬梁、柱及支撐等桿件，用在殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。通過讀取計算模型參數(shù)，SATWE軟件可完成建筑結構在恒、活、風、地震力作用下的內力分析及荷載效應組合計算，進行活荷不利布置計算，對鋼筋混凝土結構可完成截面配筋計算。

將風荷、地震作用、設計和配筋信息等參數(shù)輸入后，程序自動進行有限元分析計算。計算結果可在程序中以圖形及文本兩種形式顯示，其中包括混凝土構件配筋簡圖，梁彈性撓度、柱軸壓比、長細比，各荷載工況下構件標準內力簡圖、結構空間變形簡圖等。

4.3 各構件施工圖鋼筋配置

PKPM軟件中的“墻梁柱施工圖”模塊可直接根據(jù)SATWE模塊計算結果，考慮規(guī)范中抗震、構造等要求，歸并相近的鋼筋，選擇合理的鋼筋直徑、數(shù)量，最終給出各構件的配筋形式?，F(xiàn)選取地震和運行工況中配筋最大的工況，并結合工程實際、考慮施工便利等原則，進行施工圖階段鋼筋配置。

為方便比較，配筋表中各箍筋配置面積最終均轉化為間距100 mm進行統(tǒng)計，墻水平及垂直鋼筋面積均轉化為間距200 mm進行統(tǒng)計。

4.4 計算結果分析

1）PKPM軟件經過多年的發(fā)展完善，對于高層建筑混凝土結構整體三維計算已經相當成熟，將其作為進口啟閉機室的設計依據(jù)，同時結合本行業(yè)相關規(guī)范和要求，所得出的計算結果可以更真實準確的反映本結構的受力狀況。

2）這次計算僅對豐滿進水口啟閉機室296.50～306.10 m之間的墻體進行了配筋計算，296.50 m和306.10 m高程板梁配筋未計算在內，整個墻體作為框架－剪力墻結構進行計算，計算過程中將其細分為轉角剪力墻、邊側剪力墻、柱、梁各個構件，每種構件的配筋型式各有不同。

3）啟閉機室總高度27.85 m，屬于高層建筑，而為滿足建筑造型要求，門窗孔洞開孔緊湊且細長，對整體框架的形成造成一定的影響，尤其在地震工況狀態(tài)下，結構下層將承擔較大的剪應力，因此，在鋼筋配置過程中，除嚴格按照《建筑抗震設計規(guī)范》的相關規(guī)定執(zhí)行之外，還對啟閉機室四個邊角轉角墻進行了加強。

4）最終實際配筋與程序計算所給出的鋼筋有一定的出入，均有所增加，是考慮到三維軟件計算有一定的局限性，是較理想的狀態(tài)下的結果，實際施工過程中的一些不利因素無法控制，并且，為現(xiàn)場施工便利，有局部鋼筋采用一致性原則取大值配置。

以PKPM軟件為依據(jù)計算所得結果已應用于豐滿泄洪兼導流洞啟閉機室的設計施工中，工程建筑物已投入使用，至今運行狀態(tài)良好。

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2016-11-10