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梁景奇
(上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707)
目前，我国泵站结构设计方法主要是采用规范计算法，将泵站结构拆分成无数个独立的构件进行计算，没有考虑各构件之间的相互作用，也无法表达泵站结构的空间受力变形情况。而有限元计算法[1-2]能够解决较为复杂的空间结构力学问题，能够合理定义泵站各构件之间的接触作用及与地基之间的接触作用，较为准确反映泵站整体结构受力分布的真实情况。为此，考虑泵站与地基、泵站各构件之间的相互作用，将泵站底板、墩柱、电机梁、水泵梁等与地基作为一个整体计算，利用ABAQUS有限元软件，建立三维空间有限元模型，对泵站结构的应力及位移进行分析研究具有重要意义。
1.1 工程概况和参数
本次引水泵站为中型泵站，工程等别为Ⅲ，配6台轴流泵，主要作用为引水灌溉。泵站为钢筋混凝土结构，泵站底板厚1.0m，底板宽9.6m，长22.6m。机泵房分为水泵层、轴承层和电机层，总高18.2m。本次复核计算的材料强度值，选取原设计强度等级与检测结果中的较小值，作为材料计算参数，见表1。
表1 土层或泵站结构材料参数表
1.2 计算工况和荷载
根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2001)[3]、《水工建筑物抗震设计规范》(GB 51247-2018)[4]、《水工建筑物荷载设计规范》(SL 744-2016)[5]和《泵站设计规范》(GB 50265-2010)[6]，泵站需考虑地震影响。为此，本次复核计算工况为设计、校核和地震3种工况，计算荷载组合见表2。各种工况下，水位组合为上游水深均取8.9m，下游水位分别取4.9、2.2、4.9m。
表2 计算荷载组合表
注：本次自重包括：①底板、边墩柱、中墩柱、缝墩柱、电机梁、水泵梁及上部厂房、泵内设备自重等。②扬压力分为渗透压力和浮托力两部分，其中渗透压力荷载由改进阻力计算。③地震荷载为地震惯性力和地震动水压力，其中地震惯性力采用拟静法计算。
1.3 计算模型
根据泵站地基地质条件，本次采用线弹性有限元法分析，定义土体服从Mohr-Coulomb塑性模型，泵站各构件混凝土服从用线弹性体材料模型，土体自身变形基本完成，不再计入应变。在土基与泵站底板之间的接触问题时，采用单纯主从接触法，定义泵站底板为主控接触面，地基土体为从属接触面，按照一定的原则进行接触的定义。具体要求是：从面的网格划分应比主面精细；
在遇到主面与从面网格相差不大时，主面应该使用材料刚度较大的面；
对于有限滑移，在分析过程中从面节点一般最好落在主面的内部[7]。本次使用笛卡尔直角坐标系，X轴垂直水流指向左岸，Y轴垂直水流竖直向上，Z轴与水流方向相反。根据文献【8】对试验模型地基尺寸的要求，本次泵站模型地基在顺水流方向取20.0m，垂直水流方向取35.0m，深度取10.0m。本次有限元模型网格剖分主要使用结构化网格剖分与扫掠网格剖分，采用C3D8R六面体减缩线性积分单元，能够较精确反映闸室与地基的位移变化。有限元模型见图1和图2。
图1 泵站和地基整体三维有限元模型
图2 泵站三维有限元模型图
2.1 位移计算结果分析
按照上述计算模型和参数，对泵站结构的设计、校核、地震3种工况进行空间有限元计算。求解出泵站结构在荷载作用下相应工况的位移，具体计算的各工况下泵站沉降位移(Y轴反方向)分布情况见图3-图5；
泵站顺水流方向(Z轴反方向)分布情况见图6-图8。
图3 设计工况竖向位移云图(单位：cm)
图4 校核工况竖向位移云图(单位：cm)
图5 地震工况竖向位移云图(单位：cm)
图6 设计工况水平位移云图(单位：cm)
由计算结果的位移云图可知，泵站整体结构竖向位移(沉降)计算成果见表3，泵站整体结构水平位移(顺水流方向)计算成果见表4。
图7 校核工况水平位移云图(单位：cm)
图8 地震工况水平位移云图(单位：cm)
表3 泵站整体结构沉降位移(Y轴反方向)计算成果表
表4 泵站整体结构顺水流方向(Z轴反方向)计算成果表
由表3和图3-图5可知，泵站整体结构最大沉降位移发生在地震工况下的缝墩处，沿竖直方向整个结构发生向下的位移，最大沉降量为60.5mm，最大沉降差为30.2mm。根据规范[6，9]，地基最大沉降量不宜超过150mm，相邻部位的最大沉降差不宜超过50.0mm，故泵站地基沉降满足要求。
由表4和图6-图8可知，设计、校核、地震等3种工况荷载作用下，泵站整体结构在水平方向的位移较小。泵站顺水流向水平位移的最大值发生在校核工况下的墩部，沿顺水流方向从上游向下游发生位移，最大值为12.7mm。
2.2 应力计算结果分析
根据计算结果应力云图进行分析，具体计算各工况下泵站整体结构的第一主应力分布情况见图9-图11；
第三主应力分布情况见图12-图14。
图9 设计工况第一主应力云图(单位：Pa)
图10 校核工况第一主应力云图(单位：Pa)
图11 地震工况第一主应力云图(单位：Pa)
图12 设计工况第三主应力云图(单位：Pa)
图13 校核工况第三主应力云图(单位：Pa)
图14 地震工况第三主应力云图(单位：Pa)
由计算结果的应力云图可得，泵站各部位出现了较大的拉应力和压应力，其中泵站结构最大拉应力计算成果见表5；
最大压应力计算成果见表6。
表5 泵站结构最大拉应力计算成果表
表6 泵站结构最大压应力计算成果表
由表5、表6和图9-图14可知，在各工况下，泵站底板的最大拉应力值为0.81MPa，主要分布在上游底板面层附近；
泵站底板的最大压应力值为1.90MPa，主要分布在底板下游段底层附近。边墩柱的最大拉应力值为1.90MPa，主要分布在边墩柱与底板连接处；
边墩柱的最大压应力值为3.10MPa，主要分布在边墩柱面层附近。中墩柱的最大拉应力值为1.70MPa，主要分布在中墩柱与底板连接处；
最大压应力值为2.58MPa，主要分布在中墩柱面层附近。缝墩柱的最大拉应力值为1.86MPa，主要分布在缝墩柱与底板连接处；
最大压应力值为2.84MPa，主要分布在缝墩柱面层附近。电机梁的最大拉应力值为1.70MPa，主要分布在中间底层附近；
最大压应力值为2.58MPa，主要分布在中部面层附近。水泵梁的最大拉应力值为1.86MP，主要分布在中间底层附近；
最大压应力值为3.00MPa，主要分布在中部面层附近。
上述分析结果表明，在设计、校核、地震等3种工况条件下，泵站边墩柱、中墩柱、缝墩柱、水泵梁、电机梁等结构的最大拉应力在各工况下均超过混凝土的允许拉应力[10]，混凝土抗拉强度不满足规范要求；
而最大压应力均未超过混凝土的允许压应力[10]，混凝土抗压强度满足规范要求。
2.3 泵站结构承载能力分析
根据泵站结构最大拉应力分析成果，利用材料力学弯曲正应力计算公式[11]，求得泵站各结构横截面的最大弯矩值Mmax，与按照《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057-2009)[12]求得的各结构允许承受的弯矩值M允许进行对比，若结构所受的最大弯矩值小于允许承受的弯矩值，说明泵站结构是安全可靠的；
反之，则表明泵站结构不安全，易发生破坏，需要采取加固措施。泵站结构承载能力计算成果见表7。
表7 泵站结构承载能力计算成果表
1)应用ABAQUS软件，将泵站和地基作为整体建立三维有限元模型，通过对设计、校核、地震等3种工况下泵站结构的位移和应力分布状态进行模拟。结果表明，三维仿真模型能够较好地反映结构的位移和应力的变化趋势，与工程实际情况较为符合，可为类似工程结构分析提供参考。
2)通过泵站结构的位移和应力分析结果可知，不同工况下的泵站结构位移变化情况满足规范要求，混凝土抗压强度未超过规范允许值，但有些部位的混凝土抗拉强度超出规范允许值。
3)通过对泵站结构进行承载能力复核，表明该泵站的实际承载能力满足要求，泵站稳定性和安全性较高。
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