摘要：某電廠為避免與當地糾紛對循環水排水系統提出設計優化，采用異型箱涵上跨敞開式引水明渠直接溫排水的方案，考慮架空異型箱涵受力與變形的空間效應，采用有限元軟件對異型箱涵進行三維有限元計算分析，有關設計經驗可為類似工程提供一些參考。

　　關鍵詞：循環水系統：架空異型箱涵；三維有限元分析

　　某電廠位于潮汕地區某鎮龍頭山西側，規劃總裝機容量為6×1000MW國產超超臨界燃煤發電機組，一期工程規劃建設4×1000MW國產超超臨缸界燃煤發電機組。機組冷凝采用海水直流循環系統，開敞式明渠取排水。因設計采用爐后海水脫硫工藝和廠區總平的優化布置，排水明渠與引水明渠相互交叉，排水口位于龍頭山西側。在電廠征地及建設過程中，經常會與當地村民因為經濟糾紛而產生矛盾，影響工程建設進度。并且龍頭山為當地的宗教場所，為了減少與當地村民的摩擦，電廠業主方提出排水口不能直沖龍頭山。

　　1　設計方案優化

設計采用兩種方案，方案1：爐后排水明渠通過排水箱涵上跨引水明渠，后排入護岸外側排水明渠排放，箱涵中心軸線垂直于引水明渠軸線。方案2：爐后排水明渠通過排水箱涵上跨引水明渠后直接排放，箱涵中心軸線與引水明渠軸線成38°斜角，(見圖1)。
　　
　　分別對方案1和方案2進行概算比較，方案2比方案1可節約投資約200萬，方案2排水工藝更加合理，并且方案1占用較多的海域面積，容易引起排水口附近的泥沙淤積。最終設計選用方案2，考慮引水明渠工藝要求，明渠中盡量減少支墩，且支墩平行于明渠中心軸線，以免影響水流流態，缺點是排水箱涵結構斷面形式較為復雜。

　　2　異形箱涵設計

　　跨中的排水箱涵為3孔現澆鋼筋砼結構，單孔凈空4×2.5m，凈跨9m，結構呈銳角為380的菱形結構詳見圖2。橋梁中的斜板多為二維計算方法，而架空異型箱涵較斜板則為復雜的三維結構，箱涵空間效應明顯，易產生應力集中和扭曲，結構受力變形后會進行空間應力應變重分布，其結構計算既不能沿斷面方向作平面框架簡化，又不能在平面方向按單(雙)向板計算頂板和底板的受力。因此對架空異型箱涵采用ANSYS進行了整體有限元計算分析。計算內容包括箱涵在自重、水、土、溫度等荷載作用的應力、應變、內力、變形等，架空異型箱涵在低潮位完全裸露時為其最不利工況，箱涵兩端與支墩假定為簡支。

　　2.　1計算需要考慮如下荷載：
　　結構自重按2500kg/m3計算，荷載分項系數取1.2：按箱涵內滿水無壓流計算水壓力，即水壓力僅對側墻和底板起作用；水壓力按7h計算，r=lOkN/m3：水壓力分項系數取1.27。根據工藝資料，箱涵內外溫差按12℃考慮，溫度作用分項系數取1.1：頂部活荷載按1.0kPa計算(低潮位時箱涵露出水面)，活荷載分項取1.4。

　　2.2　箱涵有限元模型
　　采用ANSYS空間六面體20節點等參單元(熱分析時采用thermalsolid 90單元，結構分析時采用structural solid 95單元)對整體結構進行網格剖分，有限元模型全部剖成六面體單元，以提高精度；單元的長厚比最大值控制在2以內，單元剖分能反映構筑物的輪廓形狀、荷載分布等情況。

　　2.3　熱固耦合后的位移計算分析
　　對箱涵施加水壓力、自重等荷載，同時耦合溫度作用，所得的耦合位移計算結果見圖3。計算結果表明，箱涵銳角處出現了較大的翹曲位移，最大翹曲位移為6.81mm，主要由溫漲變形引起。

   　2.4　熱固耦合后的主拉應力計算分析
　　頂板主拉應力云圖表明，在頂板上部鈍角處、隔墻上部、以隔墻為支撐的頂板跨中等部位均出現了較大的主拉應力區，并且跨中彎矩向鈍角方向靠攏。隔墻上部、頂板跨中等部位的主拉應力方向基本為垂直隔墻、側墻方向，僅在靠近端部部位出現漸變，至端部邊沿，主拉應力方向漸變為與端部平行。頂板上部及下部主拉應力云圖分別見圖4、圖5。

　　底板主拉應力云圖表明，隔墻下部、隔墻之間的支座附近等部位存在較大的主拉應力，主拉應力方向基本為垂直支座方向，僅在隔墻下部出現向垂直隔墻方向偏轉的趨勢，底板上部及下部主拉應力云圖分別見圖6、圖7

       根據DL/T 5057—1966水工混凝土結構設計規范附錄H的規定，非桿件體系鋼筋混凝土的配筋可由彈性應力圖形確定，因此異型箱涵配筋須先計算結構的彈性應力反應。鑒于工程的實際配筋情況，出于提高安傘等級的考慮，對附錄H給出的配筋面積計算公式進行了修正，按混凝土不承擔截面拉力的原則進行設計。并加強鈍角區域和箱涵支撐區域配筋，以抵抗較大的應力變形。

　　考慮到地處8度的地震區，對箱涵支撐處參考公路橋梁支座設計，設計了橡膠支座，消減上下部結構所受的動力作用，以緩沖地震力。

　　3　結束語

　　(1)循環水取排水系統占電廠土建投資均比較高，取排水方案設計優化即可以為電廠節約較大的投資費用，也可以減少對當地環境的影響。

　　(2)對于異型架空箱涵結構計算采用傳統的計算方法容易導致偏保守或局部失穩，沒有較好的考慮異型箱涵空間效應和變形協調的影響，采用有限元整體分析作為設計參考，結合傳統的靜力學計算方法為工程提供適合的安全余度。也為日后其他工程解決類似問題提供較好的例證。

　　該工程已經施工完成并投入運行，經過現場觀測，符合設計方案預期功能。