太浦河泵站泵房底板空间和平面有限元结构分析及其比较研究

1、太浦河泵站泵房底板空间和平面有限元结构分析及其比较研究-水利施工简介：软土地基上基础板的结构分析通常简化为平面问题进行，这 种简化与实际情况存在较大差异。了解这种差异特性，对于正确评估 简化计算的结果，保证设计的安全和经济具有重要意义。太浦河泵站泵房底板是典型的大型软土地基基础板。本文以该底板为计算对象， 分别应用有限单元法进行了空间三维和简化的平面二维结构分析，分析中考虑了底板、基础、墩墙和顶板的共同作用。通过对计算结果的 比较分析，找出差异上的一些规律，为类似结构的计算提供一定的参 考。关键字：太浦河泵站 软基 底板 结构分析 有限元ANSYS程序（1上海勘测设计研究院，上海，200434

2、; 2太浦河泵站工程建设指挥部，江苏，吴江，215224）3D/2D FEA and Comparative Study ofFoun dati on Slabof Taipuhe Pumpi ng Stati on Abstract: Structure an alysis of foundation slab on soft foundation is usually simplified to plane problem. Such simplificatio n has quite more differe nee to the act.To find out this differe

3、 nee is sig nificative to correctly evaluate results and en sure design safety as well as economy. The foundation slab of Taipuhe pump ing stati on is a typical huge foun dati on slab on soft foun datio n. In this thesis, accurate 3D and simplified 2D FEA is done separately on the slab, and slab-gro

4、 un d-upper structure in teracti on is take n into acco unt in the an alysis. By comparative an alysis ing the results, some con clusi on is draw n, which can be refere nee in similar structureA nalysis.Key words:Taipuhe Pumpi ng Stati on Soft foun dati on Slab Structure an alysis FEAANSYS programs问

5、题的提出软土地基上水闸、泵站底板的结构计 算通常是采用截条法”进行，即沿着水流方向截取单位宽度的底板简 化为横向（垂直水流方向）弹性基础梁或框架进行计算，实质上是把 空间问题简化为平面应变问题进行计算。截条法”在计算理论上存在着诸多缺陷：首先，水闸、泵站的底板在几何上是一个复杂的空间结 构，荷载的分布往往也很复杂，几何特征和荷载特性均与弹性理论中 的平面应变条件有较大的差别。其次，截条法”中引进的不平衡剪力及其分配，其实只是为了满足结构的静力平衡而采取的一种补偿”实际上并不能反应结构真实的受力情况。再次，截条法”在计算不平衡剪力的时候假设地基反力顺水流方向直线分布也不符合实际情况。 因此，采用

6、 截条法”进行底板结构分析，其计算结果与实际情况会产 生较大的误差。这种误差与底板的几何形状和荷载分布有关。对于水闸底板，由于其形状和荷载相对比较匀称和简单，截条法”的计算结果在某些条件下尚可以接受，而对于大型泵站底板，由于涉及到机电 设备布置和流道的影响，其几何形状和荷载分布相当复杂，对于这样 的空间体系，如果简化为平面问题分析，误差将更显著。按照空间问 题进行底板、地基和上部结构的联合受力分析，可以比较精确地求得 其应力和变形情况。随着计算机技术的发展和具备强大运算、前后处 理功能的大型有限元分析系统出现，对这样的结构进行比较精确的分 析成为了可能。由于这种分析方法工作量的巨大，在工程实践

7、中，根 据现行水闸和泵站设计规范的推荐，通常还是用 截条法”简化为平面问题分析，在这种情况下，如何正确评估这种简化计算所导致差异的， 对于保证设计的安全和经济具有重要意义。 这种评估应该包括以下几 个内容：从定性的角度比较两种计算方法所求得的应力和变形的分布 规律的异同；从定量的角度对应力和内力进行比较；比较平面计算中选择不同的计算断面对结果的影响等。本文以太浦河泵站泵房底板为 计算对象，分别进行了空间三维和平面二维有限元分析，通过对这两种计算模型结果的比较，分析了它们之间的异同，对平面截条法”的简化计算结果做出评价。2、工程概况和基本资料太浦河泵站工程 位于江苏省吴江市东太湖边，工程的主要功

8、能是在枯水年份抽取太湖 水满足上海市的供水要求。泵站内安装6台单机流量为50m3/s的斜15。轴伸泵。泵房为堤身式块基型结构，分三块底板，每块底板平面 尺寸为40.45m（顺水流方向）22.50m （垂直水流方向），底板平均厚度 2m,廊道部位为1.55m。底板以下8m深度范围内地基采用水泥土搅 拌桩复合地基。1.45m高程以下的底板、墩墙和流道体型参见图1。本文以完建期中跨底板单元为计算对象。3、空间有限元分析（1）建 模和求解取中跨底板单元完建工况为计算对象，对1.45m高程以下包括顶板、墩墙、底板和地基进行整体空间三维有限元分析。地基深度 取50m，水平方向各往外取22.5m。混凝土结构

9、部分采用能够较好模 拟弯曲变形的空间非协调单元，底板、流道和墩墙为C20混凝土，弹性模量为2.55海04MPa ,顶板为C25混凝土，弹性模量为 2.55 X04MPa。地基部分采用空间协调单元，底板以下8m的按复合地基考虑，其变形模量为55MP，其余为天然地基，变形模量为10MP。 将上部荷载导算到1.45m高程。计算底板单元的两侧作用有相邻底板 的边荷载，按平均基底压力165kPa考虑。采用国际著名的有限元分 析系统ANSYS进行三维有限元建模、分析和后处理。有限元模型见 图1,水流方向为X，底板高度方向为Y,垂直水流方向为Z。图1三 维有限元模型（2）计算结果分析底板竖向位移（图 2）:

10、进水侧小， 出水侧大，在垂直水流方向则比较均匀。最大竖向位移发生在出口处， 为100mm,廊道水泵支墩处的沉降为92mm，顶板在电机部位的沉降 为97mm。整块底板的计算不均匀沉降差为 14.5mm。顺水流方向应 力（图3）：底板进水流道段上部为压应力区，平均值为 0.27MPa， 沿垂 直水流方向贯穿底板上部，在墩墙下部压应力区范围比较大。底板进水流道段下部为拉应力区，平均值为 0.11MPa,沿图垂直水流 方向贯穿底板下部，流道中部拉应力区比较大。底板出水流道段除了 墩墙下部出现几个不连续的压应力区外，基本上是拉应力区，拉应力平均值0.11MPa;底板廊道段几乎全部是是拉应力区，只是底部靠

11、近 边缘处出现小范围的压应力区。顺水流向的最大拉应力为0.50MPa,出现在三个部位：廊道上表面、进水流道出口段下表面、出水流道中 段下表面。垂直水流方向应力（图 4）:整个底板上面受拉，下面受 压。廊道及其附近为较高应力区，最大拉应力0.54MPa出现在进水流 道出口段和出水流道进口段上表面，最大压应力0.83MPa出现在进口 流道后部的下表面。图2竖向位移等值云图 图3顺水流向应力云图图4垂直水流向应力云图4、平面有限元分析（1）计算断面的选 择根据泵房底板不同部位的支承形式、跨度和受力条件，进、出水流道按弹性地基上的框架、机组段按弹性地基上的梁计算。选择计算剖面的时候，为了比较不同的上部

12、荷载对结果的影响， 分别在进出流道 段选择包含排架柱、混凝土承重墙等承受上部荷载的断面以及不承受 上部荷载的断面。选择的6个计算断面为：C断面（X=4.0m，包含 进水侧胸墙）、D断面（X=7.225m,无上部荷载）、E断面（X=10.45m， 包含进水侧上部排架柱）、F断面（X=13.75m，包含水泵支墩）、丨断 面（X=31.45m，包含出水侧上部排架柱）、J断面（X=33.5m，无上 部荷载）。各断面位置见图1。（2）计算荷载的确定假设基础反力沿 水流方向直线分布，根据偏心受压公式求得底板反力。对于给定的计 算断面，地基反力、自重和上部荷载是确定的，据此可以求出不平衡 剪力。根据剪应力分

13、布图形的面积比将该不平衡剪力分配给顶板、墩墙和底板，并作为分布力施加。底板、墩墙和顶板分担的不平衡剪力 大概为15%, 70%和15%左右。由于地基反力在顺水流向的分布相对 比较均匀，而上部荷载分布往往具有很大的突变性， 所以对于上部荷 载值大的计算断面，不平衡剪力的方向是向上的，反之不平衡剪力的 方向向下。（3）平面有限元计算为了便于与空间有限元计算结果的比 较，同时避免梁截面大高跨比所引起的剪切变形和节点刚度的影响， 对弹性地基上的平面框架和梁采用实体平面应变有限元计算。材料特性、地基影响深度等计算条件与空间有限元分析保持一致。平面有限元计算结果见下一节。5、平面和空间结果的比较分析为了便

14、于比较， 将平面问题和空间问题相对应的剖面的垂直水流向应力计算结果并 列在一起，如图5图10所示。图5 C剖面应力云图 图6 D剖面应力云图图7 E剖面应力云图 图8 F剖面应力云图 图9 I剖面应力云图 图10 J剖面应力云图对平面解和空间解进行比较分析，可以 发现几个主要的异同点：（1）底板在进、出水流道段，从应力分布的 规律上看，空间解表现为上面受拉，下面受压，弯矩为负，沿垂直水 流方向分布比较均匀一致；而在平面解中，应力沿垂直水流方向的分 布不均匀，在中部表现为上拉下压，弯矩为负，这个分布规律与空间 解一致，而在墩墙段往往是上压下拉，弯矩为正，这一点与空间解是 相反的。应力分布规律的这

15、种差异是由于在空间问题和平面问题中， 底板整体作用效应的差异以及平面问题中不平衡剪力的分布导致的。 在空间问题中，由于底板的整体作用，底板反力分布比较均匀，上部 荷载在下传到底板的过程中得到比较充分的扩散， 导致整个底板受力 比较均匀。而平面问题中底板的整体作用得不到反映，同时，不平衡 剪力主要是分配到截面相对比较小的墩墙上， 导致在墩墙部位底板受 力不均匀，使得应力分布不均匀。（2）底板在进、出水流道段，平面 解的拉、压应力最大值都比空间解要大。根据由应力换算所得弯矩的 数值来看，在空间问题和平面问题中，流道各孔底板最大负弯矩基本 上都出现在孔中部，但在数值上相差很大。平面解的弯矩绝对值比空

16、 间解要大得多，在边孔段，平面解是空间解的 1.54.5倍，中孔段要 小一些，但也有2倍左右。作用有上部荷载的计算断面比没有作用上 部荷载的计算断面这种增大量更明显。 从这一点上说，平面问题的跨 中负弯矩的计算结果是偏于安全的。但特别需要注意的是，平面解中， 由于受墩墙集中荷载的影响，墩墙部位的底板往往出现上压下拉的正弯矩，该弯矩的方向与底板跨中负弯矩方向相反，受这个正弯矩的影响，可能导致对墩墙附近断面负弯矩的估计不足。（3）在机组段廊道 部位，空间解和平面解的结果在分布规律和数值上都存在很大的差 别。平面解在机墩部位的应力为上压下拉， 弯矩为正。在相同的部位， 空间解为上拉下压，弯矩为负。弯

17、矩绝对值前者远大于后者。6、结语本文通过对太浦河泵站底板平面和空间有限元分析结果的比较，得出以下几条结论：（1）垂直水流方向的应力和内力，平面解和空间解 在数值上和分布上都存在很大差异。 在底板流道跨中部位，平面解和 空间解的分布规律比较一致，都是上部受拉下部受压，但负弯矩绝对 值差别很大，平面解远大于空间解，平面计算结果是偏于安全的。但 在墩墙部位，平面解往往出现上压下拉的正弯矩，可能导致墩墙附近 的负弯矩计算结果比实际值偏小。（2）平面解和空间解的上述差异的 大小随选择的计算断面的不同而不同，作用有上部荷载的计算断面比 没有作用上部荷载计算断面的差异更大。（3）在机组廊道段，平面解 和空间解在机墩部位底板的应力分布是相反的， 平面解是上压下拉的 正弯矩，空间解是上拉下压的负弯矩。（4）平面问题无法对顺水流方 向的应力进行计算。虽然在顺水流方向底板的整