长距离供水工程调压阀井结构计算探讨

长距离供水工程调压阀井结构计算探讨

白丽娟

(水利部新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

摘 要：采用双向板法、有限元法和弹性地基梁法对调压阀井进行计算分析。双向板法将阀井简化成三边铰支，顶端自由，通过查询系数计算单位板宽的弯矩值；有限元法对结构的整体受力情况进行分析计算，模拟结果更加真实可靠，上述2种方法计算的配筋截面面积基本一致，说明有限元法可用于阀井整体结构计算分析。采用弹性地基梁法计算出的结果较前2种方法的受力钢筋大1个量级，按该结果配筋，结构更趋于安全。笔者在某工程中采用弹性地基梁法对阀井进行配筋。

关键词：双向板法；有限元法；弹性地基梁法；调压阀井；结构计算

0 前 言

随着水利工程的发展与建设，长距离输水管道作为输水工程中的一种重要形式，近年来在管径、流量、附属建筑物的种类和数量上都有所突破。如大伙房输水管道直径2.8 m，管道压力达1.4 MPa，管线长度40余km，沿线进、排气阀井上百座[1-2]、辽西北供水工程管道口直径最大3.8 m，工作压力最高1.6 MPa，距离长9 km[3]，管道沿线阀井等配套建筑物的尺寸也较一般供水工程大。本文针对大体形阀井建筑物结构尺寸没有统一的确定计算方法，提出了3种计算方法以供同行业设计师参考。

1 工程简介

某工程中的调压阀井为钢筋混凝土结构，净空断面尺寸13.1 m×8.6 m×9.0 m(长×宽×高)，为满足抗冻要求，上部覆土2.0 m，阀井顶部设有纵、横向主次梁，盖板搭接于主次梁上部。

2 阀井结构设计方法探讨

2.1 双向板法

2.1.1 单、双向受力区分

《水工混凝土结构计算手册》[4]第二十一章“水池的内力计算”中将图1调压阀井的结构形式当做水池考虑。池体结构由池壁、底板和顶盖所组成开敞式水池。池壁和底板实际上由单块平板组成，底板可看做4边支撑板，4块池壁可看做3边支撑1边自由的板。从理论上说，底板和池壁均可看成双向板，但为简化计算，可根据单块板长边和短边的比值将其划分成双向板和单向板计算，划分标准按表1规定确定。图1中板长l1=13.1 m，高H1=9 m，l/H=1.456；l2=8.6 m，H2=9 m，l/H=0.95。可见正面和侧面板均可按双向板进行计算。

图1 调压阀井平面、立面图 单位：mm

表1 单、双向受力分区条件表

壁板边界条件l/H板的受力情况4边支撑l/H<0．5h>2l部分按水平向单向板计算；顶端H=2l部分按双向计算，H=2l处可视为自由端。0．5≤l/H≤2按双向板计算。l/H>2按竖向单向计算，水平向角隅处应考虑角隅效应引起的水平向负弯矩。3边支撑、顶端自由l/H<0．5h>2l部分按水平向单向板计算；顶端H=2l部分按双向计算，H=2l处可视为自由端。0．5≤l/H≤3按双向板计算。l/H>3按竖向单向计算，水平向角隅处应考虑角隅效应引起的水平向负弯矩。

注：表中l为池壁长度；H为池壁高度。

2.1.2 双向板荷载计算

为了运行期保温要求，需在阀井上铺设盖板、上部覆土，调压阀井长13.1 m，跨度较大，因此加设撑梁，一方面利用阀井边墙稳定，另一方面利于盖板铺设。盖板上部均布荷载39.6 kN/m，边墙均布荷载P1= 19.8 kN/m，边墙三角形荷载P2=94.6 kN/m。

2.1.3 荷载作用下内力计算

均布荷载和三角形荷载作用下各种支撑条件的钢筋混凝土矩形板，按公式(1)、(2)计算出板的弯矩和挠度，式中系数m和f需查询不同的表格[4]来确定。

单位板宽弯矩：

M=m×ql2

(1)

板内某点的挠度：

(2)

图2 3边固定、1边简支板均布荷载和三角形荷载简图(计算跨度l取短边长度)

式中:q为均布荷载的集度；l为板的计算跨度；D为单位的宽度板的弯矩刚度，；h为板厚,m；E、ν 分别为材料的弹性模量和泊松比。

ly / lx=8.6/12.3=0.699，矩形荷载作用下查表18-1(f)[4]可知，f=0.002 27，mx=0.037 5，因此，单位板宽弯矩Mx=53.59 kN/m,板内挠度W=0.001 674。三角形荷载作用下查表18-1(g)[4]可知，f=0.001 46，mx=0.001 19，因此，单位板宽弯矩Mx=83.25 kN/m，板内挠度W=0.004 216。

ly/lx=8.6/12.3=0.699,矩形和三角形弯矩叠加后的弯矩值为136.84 kN/m。混凝土轴心抗压强度设计值fc=15 N/mm2，三级钢筋抗拉强度设计值fy=360 N/mm2。

(3)

(4)

(5)

《水工钢筋混凝土结构设计规范(SL191-2008)》[5]中规定，HRB400级最小配筋率ρmin=0.15%，即构造配筋最小截面积As≥0.0015×1000×740=1 110 mm2。选配受力和分布钢筋直径22 mm，间距200 mm，实际配筋面积1 900 mm2。

2.2 有限元法

2.2.1 计算方法

采用有限元法[6-9]对阀井结构进行计算，对运行期工况下进行应力分析。当由计算得出结构在弹性阶段的截面应力图形，并按弹性主拉应力图形配置钢筋时，可按下列原则处理：① 当应力图形接近线性分布时，可换算为内力进行配筋。② 当应力图形偏离线性较大时，可按主拉应力在配筋方向投影图形的总面积计算钢筋截面积As，并应符合式(6)要求：

(6)

式中：K为承载力安全系数，1.2；fy为钢筋抗拉强度设计值(N/mm2)，300；T为由钢筋承担的拉力设计值，N；T=wb；w为截面主拉应力在配筋方向投影图形的总面积扣除其中拉应力值小于0.45fy后的图形面积(N/mm2)，但扣除部分的面积不宜超过总面积的30%，此处，fy为混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm2；b为结构截面宽度，mm。

2.2.2 计算结果分析

有限元法计算结果见图3。图3可看出，阀井在受土压力作用下，池壁受力较均匀，仅在板与板连接的铰支处应力偏大。板的结构受力较均匀，荷载可以在面部均匀分布，各个点的受力情况基本一致[4]。板与板连接的铰支处是固端约束，不可移动和旋转，虽然跨中弯矩最大，但该点处的弯矩和轴力较集中，故其应力值较大。为了结构安全，在顶部加设纵、横向主、次撑梁，图3可以看出，与之前分析类似，撑梁部位属于铰支的固端约束，池壁加撑梁处出现应力集中，应力值偏大，说明加撑梁有利于结构安全。有限元法算出的截面配筋见表2。从表2可看出，阀井配筋面积结果与双向板法一致，较弹性地基梁法小1个钢筋量级，说明有限元法计算阀井能够满足结构计算要求。

图3 箱式双向阀井室主应力云图

表2 有限元法阀井配筋计算结果表 /mm

名称受压钢筋受拉钢筋边墙Φ22@200Φ18@200底板Φ22@200Φ22@200

2.3 弹性地基梁法

《水利水电工程设计计算程序集5.0》中“地下(地面)结构内力及配筋计算”模块将箱式水池简化成框架结构，把框架结构当成杆件进行轴力和弯矩计算，将轴力和弯矩值带入《水工混凝土结构设计规范》[5]，按“正截面受弯承载力计算”进行截面配筋计算。

沿图1中主梁方向进行剖切，模型简化成封闭的U形框架(简化后模型见图4)，选用G-14命令进行计算(见图5)。计算得到边墙轴力22.80 kN，弯矩48.35 kN.m；底板轴力47.16 kN，弯矩48.35 kN.m。该轴力和弯矩计算得到的最大截面面积2 402 mm2，选配受力钢筋直径25 mm，分布钢筋直径16 mm、间距200 mm，实际配筋面积2 454 mm2。该方法较双向板法计算出的受力钢筋大1个量级，按该结果配筋，结构更趋于安全，故采用该种计算方法的结果对阀井进行配筋。

图4 阀井简化模型图 单位：mm

图5 G-14参数输入界面图

3 结 语

本文以某工程中较大阀井为例，详细介绍了双向板法和弹性地基梁法在阀井计算中的应用，并用有限元法进行复核。双向板法和有限元法计算结果基本一致，说明有限元法可用于该体形阀井的结构配筋计算，弹性地基梁法计算结果较其他两种方法偏大，采用弹性地基梁法配筋结构更偏于安全，故采用该种方法的结果对结构进行配筋。

参考文献：

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[9] 杨帆. 调压井结构全过程数值分析及理论研究[D].南京：河海大学,2005.

Study on Structural Calculation of Pressure Regulating Valve Well for Long-distance Water Supply Project

BAI Lijuan

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

Abstract：The dual-way plate method, the finite element method and the elastic ground girder method are applied for calculation of the pressure regulating valve well. The dual-way plate method simplifies the valve well into three-side hinge with the top end free. By searching the factor, the bending moment of the plate width per unit is calculated. By application of the finite element method, the integrated action of the structure is analyzed and calculated. The simulated result is more realistic and reliable. The section areas for reinforcement arrangement by the two methods above-mentioned are the same roughly. It approves that the finite element method can be applied for calculation of the whole structure of the valve well. Based on the elastic ground girder method, the action reinforcement is greater than one level compared with that by the two methods above mentioned. If reinforcement is arranged according to the calculation by the 3rd method, the structure is more safe. The elastic ground girder method is applied for reinforcement arrangement in one project.

Key words：dual-way plate method; finite element method; elastic ground girder method; pressure regulating valve well; structural calculation

文章编号：1006—2610(2017)03—0058—04

收稿日期：2017-02-11

作者简介：白丽娟(1983- ),女，新疆哈密市人，工程师，主要从事水利水电工程勘测设计工作.

中图分类号：TV672.2

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.03.014