南水北调东线睢宁二站主站身结构内力分析

摘要：睢宁二站是南水北调东线第五级泵站，是以调水为主，兼有农业灌溉、航运、排涝和防洪等综合性能的大型泵站，是沿线建筑物中地震烈度最高、扬程最高、基坑最深、单块底板面积较大的泵站。简述了主站身的总体布置、结构计算单元划分，着重阐述了根据结构力学计算理论，通过二维拟静力法采用远盛软件“弹性地基上框架结构”模型进行受力计算，在多个工况下对内力进行包络，并与三维动力分析法进行对比分析。该泵站计算方法对类似工程具有一定的参考价值。

关键词：南水北调；睢宁二站；结构力学；拟静力法；远盛软件；弹性地基上框架结构；三维动力分析

中图分类号：TV314文献标志码：A文章编号：

16721683（2015）002015004

睢宁站工程是南水北调东线工程的第五级泵站，位于江苏省徐州市睢宁县沙集镇境内的徐洪河线路上，由睢宁一站和睢宁二站组成。其中本次工程设计的睢宁二站的设计流量为60 m3/s，安装4台立式混流泵，水泵叶轮直径26 m，单机设计流量20 m3/s，配套电机功率3 000 kW，总装机容量12 000 kW。睢宁二站地震烈度8度（03 g）泵站由主站身、检修间和控制室等组成，其中，主站身顺水流长度335 m，垂直水流长度318 m，4台水泵机组安装于同一块底板上，机组间距76 m，采用站身直接挡水的堤身式块基型结构，肘型流道进水，整体虹吸式出水流道，真空破坏阀断流。

1睢宁二站工程主站身总体布置

主站身泵房布置内部自下而上为进水流道层、水泵层、检修层、联轴层、风道层和电机层。其中，进水流道层采用肘型流道，底板面自高程700 m下降至530 m，呈倾斜状，流道进口断面顶高程1060 m，断面尺寸66 m×39 m；水泵层高程875 m；出水流道分为上升段和出口驼峰下降段，虹吸管驼峰底部高程2270 m，驼峰断面高度18 m，流道出口断面68 m×32 m；检修层高程1260 m；联轴层高程1800 m；电机层平面高程2250 m，电机层主厂房长318 m，净宽130 m，总宽154 m，为框架填充墙结构。厂房屋盖采用现浇钢筋砼结构，吊车梁底高程为3555 m，设置320 kN/50 kN桥式起重机。

泵站主站身主要平、剖面图详见图1-图4。

2主站身结构内力分析

本工程计算采用ADINA非线性有限元分析软件进行计算，并采用远盛软件进行二维拟静力法内力复核计算。

计算工况包括：完建期、设计期以及地震期。

2.1三维有限元模型

泵房结构三维有限元模型见图5。

2.2正常工况下结构应力计算分析

（1）完建期。

a.结构最大拉应力发生在左边墩门洞口的附近处，最大值为253 MPa，为应力集中。流道进水口底板上表面和顶部混凝土有较大拉应力，约1 MPa，边墩两侧拉应力也比较大，

其他部位拉应力较小均不足06 MPa，满足强度要求。

b.泵房混凝土结构最大压应力发生在右边墩靠近站下对顶钢板部位，最大值为1091 MPa，为应力集中。泵站各个角点处压应力最大值为623 MPa，也为应力集中。其他压应力主要集中在站下闸墩底部和隔水墩处，压应力均不足6 MPa，满足强度要求。

（2）正常运行期。

泵房结构应力水平普遍比完建工况有较大减小。最大拉应力仍发生在左边墩门洞口的附近处，最大值为193 MPa，为应力集中。流道进水口底板上表面和进水口顶板混凝土有约06 MPa拉应力，边墩两侧横向拉应力也较大，其他部位拉应力较小，均不足05 MPa；边墩对顶钢板处得混凝土压应力降至5 MPa以下。应力总体满足强度要求。由于扬压力的作用，泵房结构整体受力情况有较明显的改善。边墩两侧的拉应压力与完建工况的拉压应力相比均有明显减少。因此，从结构应力分布规律分析，起控制作用的工况是完建工况。

2.3正常工况下结构内力计算分析

泵站中的内部容易引起混凝土开裂的内力主要是弯矩，由计算结果可知，泵房结构内部的典型底板截面（图6）和典型闸墩（图7）截面的应力总体都不大。在完建期及正常运行期两种工况下，靠近站下闸墩的弯矩相对较大，最大值应力值出现在闸墩底部，为31099 kN·m。底板弯矩较大位置也位于站下侧附近，最大值出现在完建工况站下齿墙部位底

道附近混凝土应力不大，不会引起混凝土开裂，控制工况为正常运行工况，但拉应力、压应力、都小于12 MPa，不会引起混凝土开裂。

2.4地震作用下反应谱分析（结构动应力计算）

（1）底板动应力。泵站结构的最大竖向动应力最大值均出现在泵站底板角点处，最大值分别为2167 MPa、277 MPa、236 MPa，均为应力集中，影响区很小；与静力结果叠加后最大竖向压应力分别为456 MPa、477 MPa、407 MPa。竖向拉应力不大，不足10 MPa。

（2）边墩动应力。横向动应力最大值出现与对顶钢板连接处附近的边墩上，最大值分别为280 MPa、3089 MPa、376 MPa，影响区域很小；与静力结果叠加后最大垂直水流方向压应力分别为3960 MPa、4330 MPa、4568 MPa。

（3）垫层动应力。泵房结构底板下垫层在与检修间和控制室相接的垫层底面角点处和边缘上存在较大拉应力，最大达到30 MPa，属于应力集中，应力折减后也约1 MPa左右。

（4）泵站顺水流方向的动拉应力较小，不再分析。

泵房结构除上述应力集中区域外，应力总体动应力不大。

2.5地震作用下时程分析（结构动应力响应分析）

顺水流方向地震时，站下底板顶部最大的动拉应力为142 MPa，为应力集中，出现时间944 s，与静力叠加后拉应力为109 MPa；底板竖向最大动压应力为202 MPa，出现在角点处；与钢板相连混凝土处最大的横向动压力为308 MPa。顺水流方向的动应力偏小，不做分析。

垂直水流方向地震时，站下底板顶部最大动拉应力为238 MPa，为应力集中，出现时间为568 s；底板竖向最大的动压应力为197 MPa出现在底板角点处，出现时间为624 s。其余部位应力均不大，拉应力和压应力均小于12 MPa。此外由于侧土压力传来通过钢板传来的集中力，在右边墩与中间条状钢板相连附近处出现较大的横向动压应力为358 MPa。顺水流方向的动应力偏小，不做分析。

对顶钢板处的最大动压应力出现在右边墩站下侧最上部对顶钢板处（1号关键点），为878 MPa，远小于钢材抗压强度；左边墩相应对顶钢板处动压应力为807 MPa。

经分析比较，地震工况下，泵站各杆件内力小于泵站完建期。

2.6结构力学计算内力分析

采用远盛软件进行二维拟静力法内力复核计算。

根据《泵站设计规范》进水流道进口段，本工程按沿垂直水流方向，截取单位宽度的框架，按弹性地基上的框架进[89]行受力分析计算；对于非框架部分的进水流道末端和集水廊道及其后的空箱部分，分别按三边固结，一边简支的矩形板和四边固结的双向板进行受力分析计算[1012]。

本工程考虑主站身构造特点，结构受力按以下4个部分采用远盛软件进行分析计算[13]，见图8。

第一部分（站上空箱段）按照四边固结的板进行计算。

第二部分（电机、水泵井段），按弹性地基梁上的框架计算，按照等刚度折算[14]，选取两种刚度模型计算：（1）在流道范围内边墩厚25 m，中墩厚36 m，以上部分边墩恢复12 m，中墩恢复1 m；（2）不区分流道层还是以上部位，边墩均取12 m，中墩均取1 m。并依据规范对进水流道末端部分底板进行单独应力校核，即按三边固结，一边简支的矩形板进行内力计算。其结构弯矩计算包络图，见图9。

第三部分（胸墙受力范围段），采用弹性地基梁上框架计算，按照等刚度折算，将胸墙刚度折算成胸墙影响范围内每延米刚度进行计算。

第四部分（流道前缘段），受力分析同第三部分。

经内力计算，泵站底板最大弯矩位于泵站第二部分边墩底板下缘，为1 558 kN·m；墩墙最大弯矩位于第二部分边墩，为1 558 kN·m。

2.7三维有限元计算和二维结构力学计算对比分析

表1所述最大弯矩，平面解和空间解计算均出现在完建期，但两者数值相差较大。经比较分析，平面解采用的弹性地基上的框架结构，为平面杆系结构，未考虑垂直于杆件平面的作用，而三维有限元为空间解，考虑空间的相互有利作用。因此，平面解相对于空间解来说，其计算结果较大。

3结语

睢宁二站工程是南水北调东线第一期工程中基坑最深、地震烈度最大，扬程最大的泵站，其结构设计相对较复杂的泵站，再加上该泵站两侧的检修间和控制室空箱与主站身间侧向对顶钢板作用，使泵站结构设计计算更加复杂。本工程主要通过三维有限元分析法进行计算分析，并与二维结构力学方法进行对比分析，其最不利工况均为完建期，二维计算成果较大于三维计算成果，在工程实际取用时，结构内力按照二维结构力学成果，以确保工程结构安全。本工程结构设计成果对今后南水北调等大型泵站的结构设计具有借鉴作用。

参考文献：

[1]陈进昌，白莉萍，陈亚军，等.南水北调东线一期工程睢宁二站初步设计报告[Z].徐州.徐州市水利建筑设计研究院.2011.

[2]陈亚军，张洋，白莉萍，等.南水北调东线睢宁二站工程总体布置与设计[J].南水北调与水利科技，2012（02）：34.

[3]连伟，訾剑华，朱雪蕻，等.南水北调东线第一期工程睢宁二站工程地质勘察报告（初步设计阶段）[Z].徐州.徐州市水利建筑设计研究院.2011.

[4]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[5]GB 18306-2001，中国地震动峰值加速度区划图[S].

[6]陈亚军，白莉萍，耿亮，等.南水北调东线第一期工程睢宁二站工程建设验收安全评估工程设计自检报告[Z].徐州.徐州市水利建筑设计研究院.2013.

[7]GB 50265-2010，泵站设计规范[S].

[8]SL 265-2001，水闸设计规范[S].

[9]陈宝华，张世儒.水闸[M].北京.中国水利水电出版社，2009.

[10]SL 191-2008，水工混凝土结构设计规范[S].

[11]丘传忻.泵站[M].北京.中国水利水电出版社，2010.

[12]陈亚军，张洋，姜成启，等.南水北调东线睢宁二站结构设计[J].南水北调与水利科技，2013（02）：160162.

[13]远盛水工升级说明书[Z].湖南.长沙远盛科技有限公司.2011.

[14]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[15]SL 203-97，水工建筑物抗震设计规范[S].

[16]DL5077—1997，水工建筑物荷载设计规范S].

[17]钮新强，汪基伟，章定国.新编水工混凝土结构设计手册[Z].北京.中国水利水电出版社，2010.

[18]张燎军，郭连琴，李龙仲，等.南水北调东线一期工程睢宁二站泵房结构及基础抗震关键技术研究[Z].南京.河海大学，2011.

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