大型復雜啟閉機排架結構的優化設計

趙桂連，張清瓊，唐碧華

隨著我國西部水電開發的深層推進，越來越多的大中型水電站設置了規模較大的長條形調壓室，且調壓室內布置有檢修或快速閘門及其啟閉設備。作為安裝與承載該啟閉設備的啟閉機排架結構為多跨連續體型，往往規模巨大，且由于啟閉設備為移動式，排架結構的受力條件較為復雜。若電站處于高地震區域，該排架結構的受力分析就更為繁復。因為這些因素，目前一些已建工程的啟閉機排架結構往往斷面尺寸極大，鋼筋布置也極強，不太合乎工程設計的經濟性。鑒于此，本文依托大崗山水電站的尾水調壓室啟閉機排架結構設計，對大型復雜啟閉機排架結構的優化設計進行初步探討。

1 結構尺寸初擬

大崗山水電站尾水調壓室為地下埋藏式，平面呈長條形，寬22.5m，長129.70m(包括1號、2號調壓室長度及巖柱隔墻寬度)。調壓室上游側設四扇尾水管檢修閘門，檢修閘門槽置于尾水閘墩內，閘墩頂部以上空間布置移動式啟閉機排架結構。該排架結構由1號排架、2號排架及簡支梁組成。1號排架對應于1號調壓室，2號排架對應于2號調壓室，簡支梁置于巖柱隔墻頂部隔墻柱上，用于連接1號、2號排架。1號、2號排架對稱布置，均由主梁、縱撐、橫撐、排架柱及隔墻柱組成。排架柱高23.7m，其基礎置于尾水閘墩上；隔墻柱高6.55m，置于巖柱隔墻頂部基礎上。排架柱豎向分三層布置，層間高差7.5m/7.5m/8.7m；縱向分四跨，跨長6.35m/17.0m/17.0m/19.75m(為初擬值)。

參考同類工程初擬該排架結構尺寸：主梁斷面1.2m×2.0m，最大跨度19.75m；縱撐斷面1.0m×1.2m，最大跨度17.0m；橫梁斷面寸1.0m×1.2m，跨度5.0m；排架柱斷面1.5m×1.3m，高23.7m；隔墻柱斷面2.0m×1.5m，高6.55m。

2 計算手段與模型

為較全面地對該排架結構進行優化設計，本文借助平面PKPM和三維有限元兩種計算手段進行分析。

取1號排架為研究對象，相應的PKPM三維建模如圖1所示。假定排架柱固結在閘墩和巖柱隔墻基礎上，為減少排架結構對調壓室高邊墻的影響，將簡支置于調壓室左右兩端邊墻上的主梁假定為懸臂結構，則該排架結構的其中一榀排架的平面計算簡圖如圖2所示。

三維有限元計算模型如圖3所示。采用實體單元solid45模擬，網格離散時考慮應力梯度較大問題，平均單元邊長0.4m左右，單元總數為30 860，最大求解自由度總數為123 555。

3 荷載與計算工況

作用于該啟閉機排架結構的荷載主要有：

(1)永久作用荷載：①排架結構混凝土自重；②由人行通道挑板混凝土產生的均布扭矩；③1號、2號調壓室排架間的簡支梁偏心作用于排架的重量。

(2)一般可變作用：①排架主梁和人行通道挑

圖1 調壓室啟閉機排架的PKPM三維建模

圖2 調壓室啟閉機排架的PKPM平面計算簡圖

圖3 調壓室啟閉機排架的ANASYS三維離散模型

板上人群荷載，取4kN/m2；②由人群荷載產生的均布扭矩。

(3)可控制的可變作用：臺車起吊閘門時的輪壓或者臺車行走時的輪壓。

(4)偶然作用：大崗山樞紐工程區地震設防烈度為Ⅷ度，50 年超越概率5%的地震水平加速度為336.4cm/s2；地下建筑物地震荷載折減50%，因此取地震水平加速度0.17g。

相應的計算工況主要有：

(1)閘門起吊工況：荷載為“(1)+(2)+(3)”，此工況下臺車輪壓處于排架主梁的固定位置；

(2)臺車行走工況：荷載為“(1)+(2)+(3)”，此工況下臺車輪壓可處于排架主梁的任何位置，從結構安全角度出發，針對排架結構的每一梁跨，分別擬定3個工況，即臺車行走輪壓置于梁跨跨中、左右端點等3個位置。

(3)地震工況：荷載為“(1)+(2)+(3)+(4)”。

4 PKPM優化計算與分析

由于三維有限元建模較為復雜，在不明確排架結構尺寸是否完全合理的情況下，本文先采用平面PKPM進行初步計算與優化分析。

4.1 初擬結構尺寸計算結果

初擬結構尺寸下的排架平面PKPM計算結果見表1、2。從該結果看，由于排架規模較大，梁和柱(尤其端部梁和隔墻柱)的配筋偏大，有必要對排架結構尺寸進行優化。

4.2 排架結構尺寸優化

4.2.1 端部梁跨度優化

從原結構尺寸計算成果可見，端部梁比邊跨梁長2.75m，但配筋增幅比例達28%，有必要進行跨度優化。將隔墻柱向調壓室端墻一側移動即可減少端部梁跨度，但同時也會增加簡支梁跨度，因此優化端部梁跨度時，也應復核簡支梁的結構。表3為端部梁跨度減小1.2m前、后的主梁及簡支梁計算結果。由此結果看，端部梁減少的配筋量比簡支梁增加的配筋量多，說明端部梁跨度減小1.2m是可行的。

表1 主梁配筋計算結果(初擬結構尺寸)

表2 柱配筋計算結果(初擬結構尺寸)

表3 主梁配筋計算結果(減小端部梁跨度)

4.2.2 主梁斷面尺寸優化

從表3配筋成果可見，主梁配筋仍然偏大，究其原因是主梁荷載主要由梁自重和啟閉荷載兩部分構成，而自重所占比重較大，因此需對主梁尺寸進行優化。優化原則是梁寬要滿足上部軌道二期混凝土尺寸及埋件布置要求，在原結構尺寸的基礎上，另擬定兩個斷面尺寸，相應的配筋計算結果見表4(僅取端部梁)。由此結果看，主梁斷面尺寸取1.0m×2.0m(寬×高)較優。

4.2.3 隔墻柱斷面尺寸敏感性分析

隔墻柱尺寸優化原則，主要考慮置于其上部的簡支梁的尺寸布置要求，滿足軌道二期混凝土和埋件布置要求最小寬度為1.0m，同時考慮橫向嵌固厚度尺寸。表5為三個隔墻柱斷面尺寸的配筋計算結果。由此結果看，隔墻柱斷面尺寸取1.5m×1.5m(寬×高)較為合適。

4.2.4 優化結果

經前述一系列優化計算，排架結構優化之后的主梁混凝土量、鋼筋量分別減少40.48%、6.72%，柱混凝土量、鋼筋量分別減少3.10%、2.15%(見表6)。

5 PKPM與ANASYS對比分析

根據前文分析成果，大崗山調壓室排架結構尺寸可確定為：端部梁跨度18.55m，主梁斷面尺寸1.0m×2.0m(寬×高)，隔墻柱斷面尺寸1.5m×1.5m(寬×高)，其它部位維持原結構尺寸。對于該優化結構，表7～9分別給出了平面PKPM與三維有限元的計算成果。

表4 端部梁不同斷面尺寸的配筋計算結果

表5 隔墻柱不同斷面尺寸的配筋計算結果

表6 優化與初擬結構配筋比較

表7 主梁配筋計算結果(優化結構尺寸) mm2

表8 柱配筋計算結果(優化結構尺寸) mm2

表9 縱、橫撐配筋計算結果(優化結構尺寸) mm2

從表7～9的結果看，平面PKPM與三維有限元的計算成果規律基本一致，且后者的結構配筋計算面積普遍小于前者，只有兩種情況下結果相反：(1)隔墻柱在靠簡支梁一側的計算配筋；(2)橫撐的計算配筋。采用平面PKPM計算時發現，地震荷載對主梁與縱撐的影響較小，而對排架柱、隔墻柱及橫撐的影響較大，上述兩種情況的平面PKPM計算結果正是發生在地震工況下。鑒于三維有限元計算模型對地震工況的模擬及對部分因素的考慮更全面，兩種情況的配筋取三維有限元成果較為符合實際。

6 結 語

對大型復雜啟閉機排架結構進行設計時，通常先根據同類工程初擬結構尺寸，因該尺寸往往比較大，可按以下步驟進行優化設計：

(1)PKPM是專門用于框、排架結構設計的計算分析工具，且易為廣大工程設計人員所掌握，因此，先利用平面PKPM對排架各個部位的結構斷面或跨長進行敏感性分析，以優選經濟合理的結構尺寸。

(2)此類排架結構的重要性是不言而喻的，因此采取多種計算手段進行對比分析很有必要。三維有限元作為一種通用性較強的結構分析方法，其計算成果是可靠的，尤其是對地震工況的模擬。因此，在利用平面PKPM優化確定排架結構尺寸之后，可對比分析平面PKPM與三維有限元的成果，以選取合理、經濟的結構配筋，為工程技施設計提供有力依據。