一种厂坝共用边墙施工缝布置区确定方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种厂坝共用边墙施工缝布置区确定方法。


背景技术：

2.位于宽阔河道上的水利水电工程，其挡水建筑物、泄水建筑物、水电站厂房和通航建筑物常垂直河岸依次布置，且泄水孔坝段常与水电站厂房坝段相邻。在传统的设计中，常在泄水孔边墩和水电站厂房的边墙间预留永久缝来避免结构上的相互干扰。近年来，出于优化建筑物布置、减少河道岸坡开挖及降低工程投资的目的，工程界提出了一种新型的电站厂房边墙结构，即将泄水孔边墩和水电站厂房边墙合二为一。这种新型边墙除了需满足电站厂房内水轮发电机组对结构稳定的严苛要求外，还需要承担由弧形闸门支座传递而来的较大的推力，因此在原有厂房边墙的外侧布设弧形门支座后，并额外布设扇形钢筋进行加固。
3.在施工期，为了减小厂房大体积混凝土结构施工期温度应力，需对厂房边墙进行分层分块浇筑，并布设施工缝。《水电站厂房设计规范》(nb 35011-2016)规定“施工缝应避免设在应力较大的部位，避免混凝土形成锐角和薄片”，可见传统厂房边墙设计对施工缝布置有定性要求，但未给出分缝位置确定的定量准则。常规的厂房边墙，具有厚度大、受力状态简单的特点，可根据工程经验避开隔墙、门槽及设备安装区等不利位置进行施工缝布置。然而对于厂坝共用边墙的新型边墙，在弧形闸门支座和加强钢筋传递的推力作用下，其力学状态较常规边墙更为复杂，一定区域内的应力水平偏高，对施工缝的设计提出了更为严格的要求。
4.因此，确定厂坝共用边墙的施工缝允许布置区，从承载和温度控制角度保证厂坝共用边墙的安全性是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种厂坝共用边墙施工缝布置区确定方法，通过有限元计算获取边墩处水压力作用下混凝土边墙配扇形钢筋区域及其外延区域的应力分布，划分主次承载区，指导厂坝共用边墙的施工缝布置。
6.为实现上述目的，本发明所设计的一种厂坝共用边墙施工缝布置区确定方法，其特征在于：包括以下步骤，
7.根据设计方案建立水电站厂房边墙、泄水孔边墩的三维有限元整体模型，其中混凝土采用实体单元，钢筋采用杆单元；
8.采用分离式模型对厂坝共用边墙的扇形钢筋进行模拟，结构中的钢筋按其几何构造建模，钢筋单元上的节点与其对应位置的混凝土节点重合，忽略钢筋与混凝土间的粘结滑移作用；
9.获取混凝土、钢筋的材料参数，并将其赋值于整体模型中的对应部分；
10.在泄水孔边墩处施加垂直于受力面的设计水压力，进行有限元静力分析；
11.读取扇形钢筋及其延长线方向上所有间隔分布的节点的主拉应力数值；
12.绘制各钢筋及其延长线的沿程主拉应力曲线；
13.依据沿程主拉应力曲线确定主拉应力在衰减过程中的分界点；
14.连接各拐点形成分界线，其中，靠近泄水孔边墩一侧的水电站厂房边墙为高拉应力区，分界线另一侧的电站厂房边墙为低拉应力区，低拉应力区即为施工缝允许布置区。
15.作为优选方案，所述混凝土、钢筋的材料参数包括混凝土的弹性模量和泊松比、钢筋的弹性模量和泊松比。
16.作为优选方案，根据拉应力衰减的程度，扇形钢筋的延长线取值范围为钢筋长度的0至1.0倍；根据精度要求，节点间隔取值范围为钢筋长度的1/30至1/20倍。
17.作为优选方案，扇形钢筋的延长线取钢筋长度的0.5倍，节点间隔取钢筋长度的1/20。
18.作为优选方案，分界点的应力特征值为混凝土28天龄期标准抗拉强度的10％。
19.作为优选方案，电站厂房边墙采用的c30混凝土28天龄期的抗拉强度为1.43mpa，分界点的应力特征值为0.143mpa。
20.本发明的有益效果：
21.根据设计方案建立水电站厂房边墙、泄水孔边墩的三维有限元整体模型，获取混凝土、钢筋的材料参数，读取扇形钢筋及其延长线方向上所有间隔分布的节点的主拉应力数值，绘制各钢筋及其延长线的沿程主拉应力曲线，依据沿程主拉应力曲线确定主拉应力在衰减过程中的分界点，连接各拐点形成分界线，分界线一侧的低拉应力区即为施工缝允许布置区。揭示厂坝共用边墙承载力学机制，为厂坝共用边墙的施工缝布置范围提供定量准则，以指导厂坝共用边墙的温度控制设计。
22.1.定量确定了厂坝共用边墙施工缝允许布置区的范围，实现了对传统设计中施工缝布设定性要求的补充和提升；
23.2.指导施工缝的合理布置，在满足温度控制的前提下，从承载角度保证了厂坝共用边墙的安全性；
24.3.提供了确定厂坝共用边墙的施工缝允许布置区的整套方法，简明易懂，操作简便，有助于厂坝共用边墙这种新型边墙在水工领域的进一步推广。
附图说明
25.图1为本发明的整体模型图；
26.图2为本发明配筋区域模型图；
27.图3为本发明有限元模型图；
28.图4为本发明有限元拉应力计算成果及分界线。
29.图中各部件标号如下：
30.厂房边墙1、泄水孔边墩2、闸门支座3、扇形钢筋4。
具体实施方式
31.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面
结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.本发明涉及的水电站总库容为2.12亿立方米，电站装机容量180mw；枢纽工程包括混凝土重力坝、泄水闸、电站厂房、鱼道过坝段。该水电站在设计中采用厂坝共用边墙的形式，将泄水孔边墩和电站厂房边墙合二为一。
35.为了定量确定厂坝共用边墙施工缝允许布置区域的范围，现提出一种厂坝共用边墙施工缝布置区确定方法，包括以下步骤：
36.步骤1：根据设计方案建立该水电站的厂房边墙、泄水孔边墩的三维有限元整体模型，其中混凝土采用实体单元，钢筋采用杆单元；
37.如图1所示，该整体模型共划分三维六面体单元127489个，结点161714个；模型中x轴为顺河向，由上游水平指向下游为正；y轴为横河向，由左岸水平指向右岸为正；z轴为竖直向，竖直向上为正。泄水孔边墩2设置在厂房边墙1中间靠上的位置。
38.步骤2：采用分离式模型对厂坝共用边墙的扇形钢筋进行模拟，结构中的钢筋按主要几何构造建模，钢筋单元上的节点与其对应重合位置的混凝土节点为共节点，忽略钢筋与混凝土间的粘结滑移作用；
39.如图2所示，闸门支座3设置在泄水孔边墩2上，扇形钢筋4以泄水孔边墩2为起点在厂房边墙1上斜向下分布。
40.步骤3：获取混凝土、钢筋的材料参数，并将其赋值于整体模型中的对应部位，材料参数包括混凝土的弹性模量和泊松比、钢筋的弹性模量和泊松比；
41.本实施例中，混凝土的弹性模量为30gpa、泊松比为0.167，钢筋的弹性模量为200gpa、泊松比为0.3。
42.步骤4：在泄水孔边墩处施加垂直于受力面的设计水压力，根据水压力和启门力产生的径向推力和轴向推力进行有限元静力分析；具体计算公式如下：
[0043]vj
＝pw/2 v
tt
[0044]
其中，vj代表单铰推力，pw是总水压力，v
tt
是启门力产生的径向推力；
[0045]hj
＝2h’ h
tt
[0046]
其中，hj代表指向闸墙的水平推力，h’是支铰处水平推力，h
tt
是启门力产生的轴向
推力；
[0047]
本实施例中，单铰推力为20051kn，与水平方向夹角为34.955
°
，指向闸墙的水平力为3307kn。
[0048]
步骤5：读取扇形钢筋及其延长线方向上所有间隔分布的节点的主拉应力数值；
[0049]
根据拉应力衰减的程度，扇形钢筋的延长线取值范围为钢筋长度的0至1.0倍；根据精度要求，节点间隔取值范围为钢筋长度的1/30至1/20倍；本实施例中，扇形钢筋的延长线取钢筋0.5倍长度，节点间隔取钢筋长度的1/20；
[0050]
步骤6：绘制各钢筋及其延长线的沿程主拉应力曲线；
[0051]
其中，中心位置钢筋的主拉应力沿程曲线如图3所示，从图3中可以看出主拉应力为0.143mpa是扇形钢筋应力分布的分界线，分界线以下为低拉应力区，低拉应力区即为施工缝允许布置区；分界线以上为高拉应力区，其中钢筋距边墩端点的沿程距离为5mm至10mm区域的拉应力最大；在距离小于5mm时，拉应力忽高忽低，约2mm处达到第一个峰值0.8mpa；在距离为5mm-8mm时，拉应力随着钢筋距边墩端点的沿程距离的增加而变大；在距离约为8mm处拉应力值达到第二个峰值1.8mpa，随后，拉应力随着钢筋距边墩端点的沿程距离的增加而变小，在距离约为19mm处降至0.143mpa以下。
[0052]
步骤7：依据沿程主拉应力曲线确定主拉应力在衰减过程中的分界点，分界点的应力特征值为混凝土28天龄期标准抗拉强度的10％；
[0053]
步骤8：连接各拐点形成分界线，其中，靠近泄水孔边墩一侧的电站厂房边墙为高拉应力区，分界线另一侧的电站厂房边墙为低拉应力区，低拉应力区即为施工缝允许布置区；
[0054]
如图4所示，横坐标a-j分别代表每个分界点的应力特征值，a＝0代表拉应力为0时形成的各个拐点，b＝14.3代表拉应力为0.143mpa时形成的各个拐点，c＝28.6代表拉应力为0.286mpa时形成的各个拐点，d＝42.9代表拉应力为0.429mpa时形成的各个拐点，e＝57.2代表拉应力为0.572mpa时形成的各个拐点，f＝71.5代表拉应力为0.715mpa时形成的各个拐点，g＝85.8代表拉应力为0.858mpa时形成的各个拐点，h＝100.1代表拉应力为1.001mpa时形成的各个拐点，i＝114.4代表拉应力为1.144mpa时形成的各个拐点，j＝128.7代表拉应力为1.287mpa时形成的各个拐点。本实施例中，电站厂房边墙采用的c30混凝土28天龄期的抗拉强度为1.43mpa，对应图4中b＝14.3
×
104pa＝0.143mpa，即分界点的应力特征值为0.143mpa，连接各拐点b形成的分界线如图4所示。
[0055]
结合图3、图4可知，低拉应力区即为施工缝允许布置区。
[0056]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。