第五章竖井结构稳定计算.docx

1、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SL 2522000水利水电工程等级划分及洪水标准的有关规定，工程属等（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SL 2522000水利水电工程等级划分及洪水标准和GB 5020194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（

2、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 660.00m5.1.3地震烈度根据GB 183062001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=2.01 N/mm2混凝土轴心抗拉强度设计值：ft=1.43 N

3、/mm2混凝土轴心抗压强度设计值：ft=14.3 N/mm2混凝土弹性模量：Ec=3104 N/mm2混凝土容重：c=25 kN/m32 钢筋钢筋等级：级钢钢筋抗拉强度设计值：fy=300N/mm2钢筋弹性模量：Ec=2105 N/mm25.1.5计算参数结构重要性系数： 0=1.0设计状况系数： =1.0结构系数： d=1.2静水压力作用分项系数：G=1.0荷载效应短期组合的允许裂缝宽度：0=0.3mm5.1.6混凝土与围岩参数名称弹性模量E (kpa)泊松比容重Ko(各项同性）饱和容重_satC（kpa）（）IV围岩1.50E+060.3423123.540033.00混凝土3.00E+0

4、70.24251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（SL 2522000）；（2）防洪标准(GB 5020194)；（3）水工混凝土结构设计规范(DL/T 50572009)；（4）水电站进水口设计规范(DL/T 53982007)；（5）水工隧洞设计规范(DL/T 51952004)；（6）水闸设计规范（SL 2652001）；（6）水工建筑物荷载设计规范(DL 50771997)；（7）水工建筑物抗震设计规范(DL 50732000)；（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

5、程642.2m，闸顶设计地面高程为700m。闸室地基为新鲜的J3p2-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-砂岩，岩体较坚硬坚硬，中厚层厚层状结构，围岩分类属类；高程680m以下为J3p2-层粉砂质泥岩，岩性软弱，互层状薄层状结构，围岩分类属类。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

6、孔尺寸为3.603.00m（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

7、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647.50648.50m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

8、/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647.50648.70m高程间墙体计算简图计算内力图如下：校核水位时胸墙647.50648.50m高程间墙体计算弯矩图 单位：kN.m校核水位时胸墙647.50648.50m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a50mm，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.

9、2.4二维平面框架法计算截取胸墙底部高程为647.50648.50m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=1590KN1) 截面抗弯、抗剪验算单排钢筋，取a50mm，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的墙体内有的级钢筋，满足要求。，截面尺寸满足抗剪要求。故校核

10、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3D5D.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35m45m80m.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方面的位移为0,前面

11、两个面的的方向位移为0,底部面的方向位移为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)泊松比容重Ko(各项同性）饱和容重_satC （kpa）（）IV围岩1.50E+060.3423123.540033.00混凝土3.00E+070.24251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

12、（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（1.01.2m）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（P164166）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SL 1912008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（P164166）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1.2fy 钢筋抗拉强度

13、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52.83636.230489.0664固端58.60847.50836.6744142.7904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287.3101571（20200）固端460.6141571（20200）