第五章竖井结构稳定计算.docx

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第五章竖井结构稳定计算

5.竖井结构稳定计算

5.1计算依据

5.1.1工程等级及设计标准

二郎庙水库工程是以灌溉为主的综合利用水利工程，工程灌溉面积10.05万亩，水库正常蓄水位698.00m，总库容1268.00万m3，最大坝高68.50m。

根据SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》的有关规定，工程属Ⅲ等（中型）工程，放空隧洞等枢纽永久主要建筑物按3级设计。

拦河大坝为沥青混凝土心墙石渣坝，根据SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》和GB50201—94《防洪标准》规定，大坝设计洪水重现期为50年一遇（P=2%），相应洪峰流量454.0m3/s；校核洪水重现期为1000年一遇（P=0.1%），相应洪峰流量768.0m3/s；消能防冲洪水重现期为30年一遇（P=3.33%），相应洪峰流量400.0m3/s；渠系建筑物防洪重现期为10年一遇。

5.1.2水库特征水位

校核洪水位698.88m

设计洪水位698.00m

正常蓄水位698.00m

死水位660.00m

5.1.3地震烈度

根据GB18306—2001《中国地震动参数区划图》（1/400万），工程区地震动峰值加速度确定为0.05g，区域稳定性好，对应的地震基本烈度为Ⅵ度。

5.1.4材料参数

1混凝土参数

混凝土强度等级：

C30

混凝土轴心抗拉强度标准值：

ftk=2.01N/mm2

混凝土轴心抗拉强度设计值：

ft=1.43N/mm2

混凝土轴心抗压强度设计值：

ft=14.3N/mm2

混凝土弹性模量：

Ec=3×104N/mm2

混凝土容重：

γc=25kN/m3

2钢筋

钢筋等级：

Ⅱ级钢

钢筋抗拉强度设计值：

fy=300N/mm2

钢筋弹性模量：

Ec=2×105N/mm2

5.1.5计算参数

结构重要性系数：

γ0=1.0

设计状况系数：

ψ=1.0

结构系数：

γd=1.2

静水压力作用分项系数：

γG=1.0

荷载效应短期组合的允许裂缝宽度：

ω0=0.3mm

5.1.6混凝土与围岩参数

名称

弹性模量E（kpa）

泊松比ν

容重γ

Ko（各项同性）

饱和容重γ_sat

C（kpa）

φ（°）

IV围岩

1.50E+06

0.34

23

1

23.5

400

33.00

混凝土

3.00E+07

0.24

25

1

弹性

5.1.7主要依据的规范及设计文件

（1）《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）；

（2）《防洪标准》（GB50201—94）；

（3）《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057—2009）；

（4）《水电站进水口设计规范》（DL/T5398—2007）；

（5）《水工隧洞设计规范》（DL/T5195—2004）；

（6）《水闸设计规范》（SL265—2001）；

（6）《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077—1997）；

（7）《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073—2000）；

（8）《二郎庙水库初步设计报告》

5.2竖井设计

5.2.1竖井基本概况

二郎庙水库放空导流洞岩体放空导流隧洞竖井闸室建基高程642.2m，闸顶设计地面高程为700m。

闸室地基为新鲜的J3p2-①层粉砂质泥岩，其能满足闸基承载力及变形要求。

闸门井高程680m以上为J3p2-②砂岩，岩体较坚硬～坚硬，中厚层～厚层状结构，围岩分类属Ⅲ类；高程680m以下为J3p2-①层粉砂质泥岩，岩性软弱，互层状～薄层状结构，围岩分类属Ⅳ类。

本文研究的竖井由四川省水利勘测设计研究院设计，目前竖井已基本完工，竖井的平台标高为700.00m,竖井底部标高为641.00m,总高度为59米．竖井断面为矩形，采用全断面一次开挖，开挖后用C30的砼进行衬砌支护．

闸门竖井段紧靠进口段布置，竖井内设检修闸门和工作闸门各一扇，检修闸门为平板钢闸门，工作闸门为弧形钢闸门。

闸孔尺寸为3.60×3.00m（宽×高），闸底板高程643.00m，竖井平台高程700.00m。

放空隧洞竖井横,纵剖面图下见。

竖井纵剖面图

竖井横剖面图

5.2.2计算工况

本次计算主要考虑水库在校核水位698.88m高程的情况下,检修闸门开启,工作闸门关闭情况下竖井在围岩压力和水压力作用下砼受力与配筋的工况；根据分析最大的危险区域均应该出现在胸墙的最低端及靠近闸门处，因此竖井的最易出现拉裂破坏的区域即在胸墙的下端部附近。

基于以上的分析结果将胸墙端部单独取出，作为配筋计算的设计依据，按照《水工混个凝土结构设计规范》SL191-2008杆件体系钢筋混凝土结构承载能力极限状态以及正常使用极限状态和非杆件体系钢筋混泥土结构的配筋计算原则之规定进行混凝土的应力配筋计算。

计算方法分别为固端梁计算法,二维平面框架计算法和有限元分析计算法。

根据不同的计算成果，对其三种不同的成果进行比较，得出相对较为优越的配筋方式，对指导以后的设计工作，弥补经验类比设计的不足，验算设计可靠性，了解竖井围岩的受力和变形特点，对工程施工有很好的指导作用。

5.2.3一维固端梁法计算

截取胸墙底部高程为647.50~648.50m间的墙体作为计算对象，将其视为两端固结于竖井边墙的固端梁，水库水位为698.88m。

1荷载计算

校核水位时水压力：

标准值:

=0.5*10*（698.88-648.5+698.88-647.5）

=508.8KN/m

设计值

2内力计算

墙体两端固端于闸墩上，计算跨度为5.7m。

计算简图如下：

校核水位时胸墙647.50~648.70m高程间墙体计算简图

计算内力图如下：

校核水位时胸墙647.50~648.50m高程间墙体计算弯矩图单位：

kN.m

校核水位时胸墙647.50~648.50m高程间墙体计算剪力图单位：

kN

可得，按弹性理论计算出的墙最大弯矩为

，最大剪力为

2）截面抗弯、抗剪验算

单排钢筋，取a＝50mm，则截面的有效高度为

受力钢筋的截面面积为：

实际选配钢筋：

高1.0m的墙体内有

的Ⅱ级钢筋，

，方可满足要求。

截面尺寸验算：

，截面尺寸满足抗剪要求。

故校核水位时，按固端梁法计算胸墙下部实配钢筋及截面满足要求。

5.2.4二维平面框架法计算

截取胸墙底部高程为647.50~648.50m间的墙体作为计算对象，对竖井横剖面进行简化框架梁,如下:

竖井简化框架模型

应用有限元对简化框架模型进行实体二维模型的建立如下所示:

二维有限元竖井平面模型

在外界水压力作用下围岩位移变形图如下:

围岩总位移变形图

X方向位移变形图

Y方向位移变形图

竖井弯矩图

竖井剪力图

竖井轴力图

对于胸墙:

由上图查出的墙最大弯矩为Mmax=1090KN.m，最大剪力为Vmax=1590KN

1）截面抗弯、抗剪验算

单排钢筋，取a＝50mm，则截面的有效高度为

受力钢筋的截面面积为：

实际选配钢筋：

高1.0m的墙体内有

的Ⅱ级钢筋，

，满足要求。

，截面尺寸满足抗剪要求。

故校核水位时，按二维平面法计算胸墙下部实配钢筋及截面满足要求。

5.2.3三维有限元计算

1模型范围

有限元的边界条件取值，应该考虑使竖井开挖不会影响到模型边界外的地质环境．

洞室一般按理论取洞径D各方向的3D~5D.本论文的有限元计算模型边界取每个边长的3倍边长．分别为29.4m,28.8m和竖向171m．为了尽可能的考虑开挖不起作用的范围，竖井顶面仍为自由面，但底部向下延伸20米，竖井计算模型大小为35m×45m×80m.

根据本工程的情况，不管在哪种工况下，将本工程研究对象视为连续本来做为本构进行研究，考虑荷载对开挖的影响仅在一定的范围内，即只在上述竖井计算模型内起作用，故限制模型的左右两个面Ｘ方面的位移为0,前面两个面的Ｙ的方向位移为0,底部面的Ｚ方向位移为0，顶面作自由面处理．

2计算参数选取

放空隧洞竖井闸室采用有限元分析法计算，整体建立计算模型。

围岩覆盖深度方向约为50.0m，库内水位为校核水位698.88m。

计算参数表

名称

弹性模量E（kpa）

泊松比ν

容重γ

Ko（各项同性）

饱和容重γ_sat

C（kpa）

φ（°）

IV围岩

1.50E+06

0.34

23

1

23.5

400

33.00

混凝土

3.00E+07

0.24

25

1

弹性

2有限元计算模型

竖井及围岩有限元模型图

竖井下部有限元网格图

竖井内外侧水压力分布图

3有限元计算成果图

内外水平衡时竖井整体大主应力云图

根据以上大主应力云图可以很直观的看到竖井在两种不同的工况下大主应力（主拉应力）最大的区域均为胸墙的下部上游侧固端及下游跨中。

采用胸墙下部单位面积内（1.0×1.2m）大主应力分布值作为配筋计算的设计依据，根据SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》中非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则（P164~166）之规定进行混凝土的应力配筋计算。

内外水平衡时胸墙底部固端YY方向应力云图

内外水平衡时胸墙底部跨中YY方向应力云图

4配筋计算

根据SL191—2008《水工混个凝土结构设计规范》中非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则（P164~166）配筋计算公式如下：

式中As——为计算钢筋截面积；

K——承载力安全系数，根据规范《水工混个凝土结构设计规范》此处取1.2

fy——钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；

T——由钢筋承担的拉力设计值（N），T=wb；

W——截面主拉应力在配筋方向投影的图形的总面积扣除其中拉应力值小于0.45ft（混凝土轴心抗拉强度设计值）后的图形面积；

b——构件截面宽度。

钢筋承担的拉应力统计表

工况

部位

大于0.45ft应力×面积积分值（kN）

合计（kN）

1倍外水

跨中

52.836

36.2304

89.0664

固端

58.608

47.508

36.6744

142.7904

上述计算表明，胸墙下部跨中钢筋承担的最大拉应力为210.6kN，上游固端钢筋承担的最大拉应力为188.5kN，得出配筋成果如表

配筋成果统计表

部位

所需钢筋（mm2）

钢筋（mm2）

跨中

287.310

1571（Φ20@200）

固端

460.614

1571（Φ20@200）