SAP2000在隧洞襯砌結構計算中的應用

楊建東

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)01—0106—03

SAP2000在隧洞襯砌結構計算中的應用

楊建東

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

以某工程引水隧洞混凝土襯砌斷面為例，運用SAP2000程序軟件對其襯砌結構進行計算分析。經工程實際驗證，計算結果基本合理可信，可用于工程設計。

隧洞；襯砌；結構;SAP2000

1 工程概況

某水電站工程為引水式電站，設計引用流量14.45 m3/s，引水隧洞上平段采用圓形平底斷面，內徑3.5 m，襯砌后底寬約2.45 m，如圖1所示。隧洞上平段巖體以Ⅳ類為主，局部Ⅴ類圍巖，巖體多處于強風化帶或強全風化過渡帶內巖體，巖性為淺灰、淺灰綠色、雜色安山質晶屑巖屑凝灰熔巖、變質安山巖。

水工隧洞襯砌結構計算是一個比較復雜的問題，到目前為止工程界也沒有找到最合理的計算方法，筆者用SAP2000軟件對該水電站引水隧洞襯砌結構進行計算分析[1,2]。

2 結構計算

SAP2000軟件由美國CSI(Computers & Structures Inc.)研制開發，屬于結構有限元通用分析軟件；在橋梁、大壩、工業結構、房屋結構等土木工程中廣泛使用。

2.1 計算模型及基本假定

(1) 在垂直水流方向切取單位寬度的橫剖面，按平面結構計算；

(2) 不考慮溫度荷載；

圖1 引水洞混凝土襯砌斷面圖 單位：mm

(3) 配筋計算根據概率極限狀態設計原則，分別按承載力和正常使用極限狀態進行計算；

(4) 建模過程中，將拱圈和底板均劃分為若干梁單元，節點位置沿徑向施加“縫單元”約束，縫單元可以模擬混凝土與基巖間的連接作用(僅受壓時起作用)。單元的剛度系數即為圍巖彈性抗力系數，本計算根據地質報告建議值，取k0=1.5×105kN/m3。

結合上述基本假定及結構布置情況，建立引水隧洞結構計算模型，如圖2所示。

圖2 引水洞斷面模型簡圖

2.2 荷載及工況組合

2.2.1 荷 載

隧洞結構所承受的荷載主要包括自重、內水壓力、外水壓力、圍巖壓力和灌漿壓力等[3]。

(1) 自重：結構的自重，由程序自動計算。

(2) 內水壓力：包括靜水壓力和水錘壓力。根據引水洞布置，上平段正常運行工況下設計水頭34.4 m，非常運行工況下設計水頭38.6 m。

(3) 外水壓力：根據地下水位取值，水頭為42.3 m。

(4) 圍巖壓力：按照荷載規范取值，包括垂直壓力和水平壓力。

(5) 灌漿壓力：對混凝土襯砌段，回填灌漿壓力取0.3 MPa，灌漿范圍在頂拱中心角120°范圍內。

荷載組合的確定，根據電站的運行方式進行了詳細地分析，包括了各種有可能出現的控制工況。

2.2.2 工況組合

(1) 工況組合及荷載分項系數如表1所示。

表1 工況組合及荷載分項系數表

(2) 其他參數取值如表2所示。

(3) 以正常運行工況內水壓力為例,荷載簡圖如圖3所示。

表2 相關參數列表

圖3 內水壓力(正常運行工況)圖 單位：kN/m

2.3 內力及配筋計算

(1) 對結構施加相應邊界條件，依托SAP2000程序計算出各工況的內力，包括彎矩、軸力、剪力[4-6]。限于篇幅關系，僅給出工況2條件下，結構計算所得的彎矩圖(圖4)。

圖4 工況2彎矩圖 單位：kN.m

(2) 取各桿件(頂拱和底板)最不利的內力組合進行配筋計算及裂縫寬度驗算。按規范要求，最大裂縫寬度允許值為： [w]=0.35 mm。配筋計算結果如表3所示。

表3 配筋計算結果列表

3 結 語

(1) SAP2000具有集成化、高效率、建模方便等特點， 用于水工隧洞混凝土襯砌結構的分析，可以降低設計人員的勞動量。

(2) SAP2000程序中縫單元的應用，模擬了圍巖與混凝土之間的連接約束情況，為結構分析提供了較好的解決方案，能夠反映混凝土襯砌與圍巖的相互作用。計算結果經ANSYS等類似有限元設計軟件驗證，是合理可信的，能夠應用于工程設計。

[1] 北京金土木軟件技術有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社,2006.

[2] 彭俊生,羅永坤.結構概念分析與SAP2000應用[M].成都：西南交通大學出版社,2005.

[3] DL5077-1997，水工建筑物荷載設計規范[S].北京：中國電力出版社，1997.

[4] DL/T5057-2009，水工混凝土結構設計規范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[5] DL/T5195-2004，水工隧洞設計規范[S].北京：中國電力出版社，2004.

[6] DL5073-2000，水工建筑物抗震設計規范[S].北京：中國電力出版社，2000.

[7] 李光順.圓形有壓隧洞混凝土襯砌結構計算方法的比較[J].西北水電，2010，(5)：71-73.

[8] 楊靜安，楊鑫平.導流隧洞襯砌結構計算分析研究[J].西北水電，2012，(3)：62-66.

《西北水電》征文啟事

《西北水電》雜志系中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司主辦的技術性期刊，1982年創刊，國內外公開發行，以推動我國水利水電科技進步為宗旨。本刊為雙月刊，全年6期，每期在2、4、6、8、10、12月末出版，刊號GN61-1260/TV，標準為大16開。《西北水電》雜志為陜西省優秀科技期刊。歡迎大家踴躍投稿。

1 征文內容

(1) 有關水力資源普查和合理開發，水電綜合利用效益，水電投資經濟效果，季節性電能的利用，以及國內外如何加快水電建設等方面的經驗和研究論文。

(2) 有關動能經濟計算理論，水能利用規劃最優化設計，裝機容量選擇，水庫合理調度和水電站(群)聯合運行最優化調度，以及水文水利計算，水庫泥沙淤積規律、觀測技術、減淤、排淤措施等方面的技術經驗和研究論文等。

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(4) 有關混凝土高壩應力計算和穩定分析，高土石壩強度變形特性、應力應變計算和滲流控制，泄水建筑物高速水流，引水系統不恒定流問題，新壩型選擇，大壩和水工建筑的抗震和大壩原形觀測，水工建筑物破壞和修補，水庫誘發地震和滑坡，高邊坡治理等方面的經驗和研究論文。

(5) 有關水電站快速施工，施工導流、施工總平面、總進度、施工技術，混凝土溫控和防止發生裂縫的措施，總概算、附屬企業工藝及設備設計等方面的技術經驗和論文。

(6) 有關大型水電站機電設計原則和新技術，大型水電站安裝運行管理，水輪機振動與氣蝕機理，水輪機泥沙磨損、抗氣蝕試驗，高壓閘門、岔管和高壓鋼管等關鍵技術，水電站自動化、遠動化以及將要興建的大型水電站機電方面關鍵技術問題的科研成果等。

(7) 有關電子計算機、有限元法、系統工程學等新技術在水電站勘測、設計、施工、運行管理中的應用，新理論的探討，對執行規程規范中碰到的問題的意見，大型水電站單頂工程的情況介紹及大型水電站的圖片等。

(8) 有關工程監理在施工中所起的作用、取得的經驗，以及工程進度的質量控制等。

(9) 有關國外水電站建設和科學技術發展動態、新技術引進、專題評述文章及有價值的譯文等。

(10) 有關勘測、設計、科研工作的管理經驗等。

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聯系人：王 燕 姜東琳 魏娟莉

Application of SAP2000 in Calculation of Tunnel Lining Structure

YANG Jian-dong

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

With the case of the concrete lining section of the one headrace tunnel, SAP2000 is applied to calculate and analyze the lining structure. The engineering practice proves that the calculation results are reasonable and reliable, and can be applied for the project design.

tunnel; lining; structure; SAP2000

2014-07-08

楊建東(1980- )，男，重慶市人，高級工程師，主要從事水工結構設計工作.

TV213.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.028