摘要：某電廠為避免與當(dāng)?shù)丶m紛對(duì)循環(huán)水排水系統(tǒng)提出設(shè)計(jì)優(yōu)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(yīng)，采用有限元軟件對(duì)異型箱涵進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析，有關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供一些參考。

　　關(guān)鍵詞：循環(huán)水系統(tǒng)：架空異型箱涵；三維有限元分析

　　某電廠位于潮汕地區(qū)某鎮(zhèn)龍頭山西側(cè)，規(guī)劃總裝機(jī)容量為6×1000MW國(guó)產(chǎn)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，一期工程規(guī)劃建設(shè)4×1000MW國(guó)產(chǎn)超超臨缸界燃煤發(fā)電機(jī)組。機(jī)組冷凝采用海水直流循環(huán)系統(tǒng)，開敞式明渠取排水。因設(shè)計(jì)采用爐后海水脫硫工藝和廠區(qū)總平的優(yōu)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(cè)。在電廠征地及建設(shè)過程中，經(jīng)常會(huì)與當(dāng)?shù)卮迕褚驗(yàn)榻?jīng)濟(jì)糾紛而產(chǎn)生矛盾，影響工程建設(shè)進(jìn)度。并且龍頭山為當(dāng)?shù)氐淖诮虉?chǎng)所，為了減少與當(dāng)?shù)卮迕竦哪Σ粒姀S業(yè)主方提出排水口不能直沖龍頭山。

　　1　設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

設(shè)計(jì)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(hù)岸外側(cè)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(duì)方案1和方案2進(jìn)行概算比較，方案2比方案1可節(jié)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(shè)計(jì)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(tài)，缺點(diǎn)是排水箱涵結(jié)構(gòu)斷面形式較為復(fù)雜。

　　2　異形箱涵設(shè)計(jì)

　　跨中的排水箱涵為3孔現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)，單孔凈空4×2.5m，凈跨9m，結(jié)構(gòu)呈銳角為380的菱形結(jié)構(gòu)詳見圖2。橋梁中的斜板多為二維計(jì)算方法，而架空異型箱涵較斜板則為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，箱涵空間效應(yīng)明顯，易產(chǎn)生應(yīng)力集中和扭曲，結(jié)構(gòu)受力變形后會(huì)進(jìn)行空間應(yīng)力應(yīng)變重分布，其結(jié)構(gòu)計(jì)算既不能沿?cái)嗝娣较蜃髌矫婵蚣芎?jiǎn)化，又不能在平面方向按單(雙)向板計(jì)算頂板和底板的受力。因此對(duì)架空異型箱涵采用ANSYS進(jìn)行了整體有限元計(jì)算分析。計(jì)算內(nèi)容包括箱涵在自重、水、土、溫度等荷載作用的應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力、變形等，架空異型箱涵在低潮位完全裸露時(shí)為其最不利工況，箱涵兩端與支墩假定為簡(jiǎn)支。

　　2.　1計(jì)算需要考慮如下荷載：
　　結(jié)構(gòu)自重按2500kg/m3計(jì)算，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2：按箱涵內(nèi)滿水無壓流計(jì)算水壓力，即水壓力僅對(duì)側(cè)墻和底板起作用；水壓力按7h計(jì)算，r=lOkN/m3：水壓力分項(xiàng)系數(shù)取1.27。根據(jù)工藝資料，箱涵內(nèi)外溫差按12℃考慮，溫度作用分項(xiàng)系數(shù)取1.1：頂部活荷載按1.0kPa計(jì)算(低潮位時(shí)箱涵露出水面)，活荷載分項(xiàng)取1.4。

　　2.2　箱涵有限元模型
　　采用ANSYS空間六面體20節(jié)點(diǎn)等參單元(熱分析時(shí)采用thermalsolid 90單元，結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用structural solid 95單元)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)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(zhǎng)厚比最大值控制在2以內(nèi)，單元剖分能反映構(gòu)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(jì)算分析
　　對(duì)箱涵施加水壓力、自重等荷載，同時(shí)耦合溫度作用，所得的耦合位移計(jì)算結(jié)果見圖3。計(jì)算結(jié)果表明，箱涵銳角處出現(xiàn)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(yīng)力計(jì)算分析
　　頂板主拉應(yīng)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(xiàn)了較大的主拉應(yīng)力區(qū)，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(yīng)力方向基本為垂直隔墻、側(cè)墻方向，僅在靠近端部部位出現(xiàn)漸變，至端部邊沿，主拉應(yīng)力方向漸變?yōu)榕c端部平行。頂板上部及下部主拉應(yīng)力云圖分別見圖4、圖5。

　　底板主拉應(yīng)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(yīng)力，主拉應(yīng)力方向基本為垂直支座方向，僅在隔墻下部出現(xiàn)向垂直隔墻方向偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，底板上部及下部主拉應(yīng)力云圖分別見圖6、圖7

       根據(jù)DL/T 5057—1966水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄H的規(guī)定，非桿件體系鋼筋混凝土的配筋可由彈性應(yīng)力圖形確定，因此異型箱涵配筋須先計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)力反應(yīng)。鑒于工程的實(shí)際配筋情況，出于提高安傘等級(jí)的考慮，對(duì)附錄H給出的配筋面積計(jì)算公式進(jìn)行了修正，按混凝土不承擔(dān)截面拉力的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。并加強(qiáng)鈍角區(qū)域和箱涵支撐區(qū)域配筋，以抵抗較大的應(yīng)力變形。

　　考慮到地處8度的地震區(qū)，對(duì)箱涵支撐處參考公路橋梁支座設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了橡膠支座，消減上下部結(jié)構(gòu)所受的動(dòng)力作用，以緩沖地震力。

　　3　結(jié)束語

　　(1)循環(huán)水取排水系統(tǒng)占電廠土建投資均比較高，取排水方案設(shè)計(jì)優(yōu)化即可以為電廠節(jié)約較大的投資費(fèi)用，也可以減少對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響。

　　(2)對(duì)于異型架空箱涵結(jié)構(gòu)計(jì)算采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法容易導(dǎo)致偏保守或局部失穩(wěn)，沒有較好的考慮異型箱涵空間效應(yīng)和變形協(xié)調(diào)的影響，采用有限元整體分析作為設(shè)計(jì)參考，結(jié)合傳統(tǒng)的靜力學(xué)計(jì)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(jīng)施工完成并投入運(yùn)行，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，符合設(shè)計(jì)方案預(yù)期功能。