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        應(yīng)力圖形法在水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋計算中的應(yīng)用

        2021-09-15 05:40:00李志剛
        陜西水利 2021年8期
        關(guān)鍵詞:主壓主拉施工期

        李志剛,高 歡

        (1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

        1 引言

        水工隧洞是水利水電工程中常見的引輸水建筑物,其安全性與工程的成敗密切相關(guān),通常襯砌作為水工隧洞的最終支護(hù)方式來保證建筑物的安全[1]。水工隧洞結(jié)構(gòu)計算在工程應(yīng)用最多、最普遍的方法是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)法[2],其將襯砌結(jié)構(gòu)看作一個獨立研究對象,與圍巖割裂開來,根據(jù)假定規(guī)律計算得到外力代替圍巖所起的作用。該方法計算參數(shù)內(nèi)涵簡單明了,但存在著受力機(jī)理簡化、圍巖實際狀況考慮與實際不甚相符的不足之處。隨著有限元理論的發(fā)展和計算機(jī)軟硬件技術(shù)的提高,在復(fù)雜地質(zhì)地貌條件下,將隧洞襯砌和圍巖看作一個整體來分析,揚(yáng)棄了許多傳統(tǒng)的假定規(guī)律,使水工隧洞的設(shè)計計算更加科學(xué)合理。本文以花崖水庫導(dǎo)流泄洪洞為例,采用有限元方法進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算,依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL 191-2008)中按應(yīng)力圖形配筋原則對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行計算[3]。

        2 工程概況

        花崖水庫工程位于甘肅省莊浪縣南洛河一級支流花崖河上,壩址距莊浪縣縣城約25 km,主要承擔(dān)向莊浪縣城區(qū)供水的任務(wù)。水庫總庫容204.2萬m3,興利庫容為102.5萬m3,年可供水量246.5萬m3,屬Ⅳ等小(1)型工程,樞紐主要由壤土心墻砂礫石壩殼壩、右岸導(dǎo)流泄洪洞以及左岸溢洪道等建筑物組成。

        泄洪洞布置于右岸山體中,為直徑2.5 m圓形壓力隧洞,由進(jìn)口段、洞身段、閘室段、挑流消能段組成(圖1),洞身段襯砌采用厚35 cm的現(xiàn)澆C30鋼筋砼,圍巖為白堊系砂礫巖夾砂巖,局部夾薄層泥巖,為較軟巖~軟巖,圍巖類別主要為Ⅳ類。

        圖1 花崖水庫樞紐總布置圖

        3 有限元模型建立及計算工況

        3.1 有限元模型

        選取花崖水庫泄洪洞樁號洞0+188.60 m位置典型斷面,建立二維整體模型進(jìn)行計算分析,模型范圍以洞中心為原點,頂面取至原地面線,側(cè)面和底面各選取25 m,其中包括了混凝土襯砌、圍巖及泄洪洞下部埋設(shè)的取水管。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格,邊界約束條件側(cè)面為法向位移約束,底面全約束。有限元整體模型和隧洞襯砌結(jié)構(gòu)細(xì)部模型分別見圖2、圖3。

        圖2 有限元整體模型

        圖3 襯砌結(jié)構(gòu)細(xì)部有限元模型

        混凝土襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型;圍巖采用彈塑性模型,采用D-P準(zhǔn)則。各材料計算參數(shù)取值見表1。

        表1 材料計算參數(shù)取值

        3.2 計算工況及其相應(yīng)荷載的施加

        計算時按施工期工況和正常運(yùn)行工況兩種工況考慮,施工期工況荷載主要有圍巖壓力、襯砌自重、灌漿壓力;正常運(yùn)行工況荷載主要有圍巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力。計算工況及荷載組合見表2。

        表2 計算工況及荷載組合

        利用ANSYS軟件荷載步的功能模擬隧洞的開挖支護(hù)情況,首先計算初始山體的應(yīng)力場和位移場;然后計算開挖后圍巖的二次應(yīng)力場和位移場;在獲得上述成果的基礎(chǔ)上計算隧洞襯砌施工完建(正常運(yùn)行)的位移場與應(yīng)力場,每一荷載步對應(yīng)的應(yīng)力場為當(dāng)前步的應(yīng)力場,位移場需減去第一步自重作用下的位移場。

        4 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力及配筋

        4.1 初始山體應(yīng)力場

        在初始山體的應(yīng)力場計算中忽略構(gòu)造應(yīng)力作用,僅考慮自重應(yīng)力作用。計算斷面山體初始應(yīng)力場見圖4。

        在貼近地面的位置處,主壓應(yīng)力方向基本與地面線平行,隨著埋深的增大,主壓應(yīng)力方向逐漸向豎直向變化,這個趨勢與工程實際情況相符。根據(jù)工程經(jīng)驗,在河谷岸坡較陡的地區(qū)設(shè)計壓力水道要格外注意,尤其是當(dāng)岸坡中存在平行于岸坡的陡傾角節(jié)理弱面時,則更危險,垂直岸坡一般是小主應(yīng)力方向,有了平行岸坡的陡傾角節(jié)理,則這些節(jié)理的正應(yīng)力就更小,壓力水道與這些節(jié)理弱面相交,高水壓很容易將這些節(jié)理弱面劈裂,造成工程失事。

        4.2 施工期工況計算結(jié)果

        施工期襯砌結(jié)構(gòu)的位移場及應(yīng)力場分布分別見圖5和圖6,其中位移方向與坐標(biāo)軸方向相同為正,反之為負(fù);應(yīng)力拉為正,壓為負(fù)。

        (a)X方向

        (b)Y方向

        (a)主拉應(yīng)力

        (b)主壓應(yīng)力

        由結(jié)果可知,施工期工況襯砌結(jié)構(gòu)最大水平向位移為0.6 mm,最大豎向位移為2.5 mm,量值均較??;變形主要表現(xiàn)為大致北東30°方向的擠壓變形,分析其原因,由于山勢較陡,隧洞位置山體地應(yīng)力的主壓應(yīng)力方向與山體表面基本平行,從而引起襯砌承受略微傾斜的擠壓。施工期襯砌結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力值為0.65 MPa,出現(xiàn)在底拱內(nèi)側(cè),最大主壓應(yīng)力值為1.84 MPa,出現(xiàn)在側(cè)拱內(nèi)側(cè)。

        為研究襯砌結(jié)構(gòu)配筋計算典型截面位置處的主拉應(yīng)力分布,選取如圖7所示的A、B、C、D四個截面位置,映射得到截面主拉應(yīng)力分布,見圖8。

        圖7 襯砌結(jié)構(gòu)配筋計算典型截面位置示意圖

        (a)A截面

        (b)B截面

        (c)C截面

        (d)D截面

        由結(jié)果可知,施工期工況襯砌結(jié)構(gòu)截面全斷面受壓,B、D截面均為內(nèi)側(cè)受壓,外側(cè)受拉,截面為全斷面受拉,四個截面的主拉(壓)應(yīng)力最大值分別為1.10 MPa(壓)、0.35 MPa(拉)、0.52 MPa(拉)、0.29 MPa(拉),各截面受力狀態(tài)相對較為復(fù)雜,將截面主拉應(yīng)力映射結(jié)果進(jìn)行積分運(yùn)算[4-6],得到施工期工況各截面的拉力值,見表3。

        表3 結(jié)構(gòu)配筋計算成果表

        4.3 正常運(yùn)行工況計算結(jié)果

        正常運(yùn)行工況下襯砌結(jié)構(gòu)的位移場及應(yīng)力場分布見圖9和圖10。

        (a)X方向

        (b)Y方向

        (a)主拉應(yīng)力

        (b)主壓應(yīng)力

        由圖9和圖10可知,正常運(yùn)行工況襯砌結(jié)構(gòu)水平X向和豎直Y向位移分布與施工期基本相同,水平向最大位移值0.55 mm,豎向最大位移值為1.8 mm,量值相對施工期工況均有所降低,這一結(jié)果可能與內(nèi)水壓力抵消了部分圍巖壓力有關(guān)。

        正常運(yùn)行工況下,襯砌結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力分布基本為沿環(huán)向和徑向,受襯砌底部埋設(shè)的取水管的影響,使得該部位應(yīng)力分布規(guī)律有所變化,最大主拉應(yīng)力值為1.25 MPa,最大主壓應(yīng)力值為0.25 MPa,二者均出現(xiàn)在在襯砌底拱部位,說明該部位結(jié)構(gòu)受力相對復(fù)雜一些。正常運(yùn)行工況各選定的典型截面的主拉應(yīng)力分布見圖11。

        由圖可知,正常運(yùn)行工況襯砌結(jié)構(gòu)所選取四個典型截面均為全斷面受拉,正常運(yùn)行工況各截面的拉力值見表3。四個截面的主拉應(yīng)力最大值分別為1.10 MPa、1.11 MPa、1.25 MPa、1.11 MPa,各截面受拉程度相當(dāng),且均未超過襯砌混凝土材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值,表面該工況下襯砌基本處于彈性受力狀態(tài)。

        (a)A截面

        (b)B截面

        (c)C截面

        (d)D截面

        4.4 配筋計算

        根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL 191-2008)中按應(yīng)力圖形法配筋的原則,按式(1)分別計算襯砌結(jié)構(gòu)選取的A、B、C、D四個截面鋼筋用量,配筋成果見表3。

        T=ωb

        式中:K為承載力安全系數(shù);fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值,N/mm2;T為由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計值,N;ω為截面主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積扣除拉力值小于0.45ft后的圖形面積(N/mm),但扣除部分的面積不宜超過總面積的30%,此處,ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值(N/mm2);b為結(jié)構(gòu)截面寬度,mm。

        經(jīng)計算,正常運(yùn)行工況襯砌結(jié)構(gòu)B截面為配筋控制斷面,單位寬度襯砌結(jié)構(gòu)所需鋼筋面積為1075 mm2,結(jié)合工程實際,最終確定襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向受力鋼筋內(nèi)外層均采用C16@150 mm的配筋方案。

        5 結(jié)語

        采用有限元對隧洞襯砌及周邊圍巖進(jìn)行整體建模分析,可得到實際地貌及具體地質(zhì)條件對山體初始應(yīng)力分布的影響,進(jìn)而對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,能有效指導(dǎo)實際工程設(shè)計、施工及運(yùn)行。根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況,采用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL 191-2008)中按應(yīng)力圖形法配筋的原則,確定結(jié)構(gòu)鋼筋量,能很好地模擬結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài),結(jié)果正確。

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