太浦河泵站底板结构有限元计算与原型观测分析
摘要：本文通过对太浦河泵站底板、顶板和地基进行整体三维有限元分析，全面掌握结构的应力和变形情况，据此指导结构的布置和配筋。通过对泵站进行原型观测和分析，验证结果的合理性，并对泵站结构功能的安全性做出评价。
关键词：太浦河泵站 底板 流道 有限元分析 原型观测
1 概述
太浦河泵站主泵房采用堤身式布置，安装有6台斜15o轴伸泵，泵站设计总流量为300m3/s。为满足伸缩缝的设置要求，采用二机一缝的布置方式，因此泵房共分三块底板，单块底板顺水流方向长40.45m，宽22.5m，厚2m，流道顶板顶厚约1.2m。因泵房基础应力大于其持力土层的地基承载力，经对地基处理方案进行技术综合比选后，采用水泥土搅拌桩复合地基加固方案进行地基处理。主泵房北端布置安装间，南端布置35kV变电站。
太浦河泵站主泵房底板在整个泵房中占有重要地位，且底板平面尺寸大，布置和地基条件复杂，在类似工程建设或运行中，流道顶板均出现裂缝或漏水等现象。为保证太浦河泵站设计的正确合理，防止泵房底板、流道顶板等出现裂缝，设计委托河海大学力学研究所对泵房底板和流道进行了整体三维有限元分析，通过计算了解泵房底板和流道的应力和变形的大小和分布，指导相应部位的布置和配筋。同时为验证计算结果的合理性，对泵房底板和流道进行了原型观测设计和研究。
2 计算模型
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为正确模拟的受力变形情况，计算模型考虑了地基－底板和底板－顶板的整体变形和变形连续的条件，计算模型取高程1.45m以下的流道、底板和地基进行整体三维有限元计算。采用空间协调等参单元对空间任意地基进行离散，上部则采用能够较好反映弯曲变形性能的空间非协调单元进行离散，运用空间组合有限元法求出任意点的应力。地基计算深度取48m，泵房上、下游各取20m，有限元模型见图1。 各分区材料的主要计
图1 有限元模型
作者简介:孙卫岳(1965-),男(汉族),江苏苏州人,工学士,高级工程师,从事建筑物设计与工程管理
算参数见表1。
表1 各分区材料主要计算参数
分区 | 弹性（变形模量）MPa | 泊松比 | 容重（t/m3） |
底板、墩墙和顶板 | C20：2.60E4 C25：2.85E4 | 0.167 | 2.4 |
水泥搅拌桩 | 500 | 0.20 | 2.1 |
-14.2m高程以下土层 | 200 | 0.30 | 1.9 |
将1.45m高程以上排架等各种荷载导算到该高程上，分别进行了6种荷载组合工况计算，计算工况及其水位组合见表2。计算中还考虑了如下边界条件：安装间平均地基应力为120kPa，作为边荷载考虑，侧向土压力按静止土压力计算，地下水位按4.00m考虑。计算中采用了地基反力直线分布和搅拌桩地基两种地基模型。
表2 计算工况和水位组合
荷载组合 | 计算工况 | 进水侧水位（m） | 出水侧水位（m） |
基本组合 | 完建工况 | -6.05 | -4.45 |
设计运用工况1 | 1.70 | 3.34 | |
设计运用工况2 | 5.00 | 3.29 | |
特殊组合 | 检修工况 | 4.02 | 3.54 |
校核运用工况1 | 5.50 | 3.29 | |
校核运用工况2 | 5.50 | 4.69 |
3 结果
（1）拉应力情况
在完建工况，顺水流方向底板受拉，最大拉应力为1.45MPa（地基反力直线分布）和0.66MPa（搅拌桩地基），实际拉应力的值应该界于这两个值之间，可能会超过混凝土的抗拉强度。
在完建工况，垂直于水流方向流道顶板受拉，最大拉应力分别达到了2.89MPa（地基反力直线分布）和1.32MPa（搅拌桩地基），发生在离泵房进水口距离为20.95m处的流道顶板上，该处顶板处于小偏心受拉状态，对应的弯矩和轴力分别为M=7.62t-m、N=192t/m（地基反力直线分布）和M=11.88t-m、N=47t/m（搅拌桩地基）。如果只考虑50%的边荷载，则流道顶板最大应力和内力降低30%~40%，说明边荷载对流道顶板拉应力的影响是很大的。
检修工况是最不利工况，此时流道顶板和胸墙都处于受拉状态，最大拉应力分别达到1.61MPa和1.21MPa（搅拌桩基础），如果采用地基反力直线分布假定，则相应的最大拉应力分别为2.42MPa和1.94MPa，超过了混凝土的抗拉强度。
（2）沉降情况
完建工况下，考虑100%边荷载，最大沉降发生在1#~2#号泵房边墩下游，为8.64cm，底板平均沉降为7.28cm。如果考虑50%的边荷载，最大沉降发生在3#~4#号泵房下游，为7.12cm，底板平均沉降为6.07cm。
4 计算结果对工程设计和的指导
泵房三维整体有限元计算分析表明，在完建工况，底板顺水流方向和顶板垂直水流方向受拉，拉应力达到或超出混凝土的抗拉强度，减少边荷载对降低顶板拉应力有显著效果，同时，边荷载是引起泵房底板不均匀沉降的主要因素。根据计算分析结果，工程设计做了下述调整：
（1） 流道顶板在垂直水流方向，按偏心受拉构件进行配筋计算，重新调整了顶板的配筋，对拉应力较大的部位增加了配筋量。
（2） 安装间和35kV变电站基础采用有地下一层的筏式基础，减小泵房两侧的回填土高度；同时，地基处理由原来的水泥搅拌桩复合地基改为灌注桩地基处理，将大部分的边荷载直接传至深层坚硬的持力层中，减少边荷载对流道顶板拉应力和泵房底板不均匀沉降的影响。
（3） 调整方案，在完成泵房边泵组段临土边墙，并达到其28d混凝土龄期后，先回填边墙外侧回填土，使边墙处于受压状态，然后再浇注流道顶板，使流道闭合，利用边墙的侧压力削减完建期流道顶板的侧向拉应力。
5 泵房底板沉降和应力观测设计
为了了解和监测底板和顶板的受力变形情况，验证计算结果的合理性，确保底板和流道的安全，对底板和流道进行了原型观测设计。观测设计的内容主要包括沉降、水平位移、基础受力、渗透压力、沉降缝开合度以及底板和顶板钢筋应力观测等内容。泵房底板沉降和应力观测设计布置如下：
（1）在主泵房上、下游平台上布置水平位移、沉降兼测点12只用以判断主泵房有无发生裂缝、倾覆的可能，了解泵房在不同阶段、不同工况下发生的沉降量。
（2）为了解底板钢筋在不同荷载作用下的钢筋应力大小及过流前后应力重新分布状况，选择3#、4#泵组底板钢筋作为观测对象，用钢筋计观测钢筋应力。考虑到垂直于水流方向的钢筋为主要受力钢筋，故钢筋计主要沿垂直水流方向布置，共选取了六组观测断面，每个断面的上下层钢筋上各安装一只钢筋计，共12只，同时，为了解顺水流方向钢筋的受力情况，在顺水流方向也选取了两组观测断面，每个断面的上下层钢筋上各安装一只钢筋计，共4只。
（3）在流道顶板内部顺水流方向选取两组观测断面：一组基本在3#泵组的中心线上，钢筋计垂直于水流方向布置；一组基本在4#泵组的中心线上，钢筋计顺水流方向布置。特别是在离进水口20.95m流道顶板处，该处三维有限元计算分析拉应力达2.89kPa，设计按照小偏心受压受拉构件进行配筋，该处共配置了三层钢筋，考虑到该部位受力较大，故在该部位各布置三根钢筋计。其余部位钢筋计在上下层钢筋上成对布置。流道顶板内部共布置钢筋计14只。
6 原型观测及资料分析
（1）沉降观测与分析
沉降数据表明，完建期底板的最大沉降量为42.6mm，最大沉降点位于靠近35kV变电站边墙的上游侧。最小沉降量为10mm。整个泵房底板的完建期的平均沉降量为26mm，最大沉降差为32.6mm。沉降量和沉降差均远小于规范的允许值。实测值的分布与计算比较吻合，但数值小于计算值。
（2）应力观测与分析
上游顶板垂直水流方向钢筋应力在初期表现为受拉，随着泵房两侧填土以及35kV变电站和安装间的的进行，该部分钢筋计的拉应力逐渐减小，且开始有较小的压应力出现，最后测值稳定在零值附近。下游流道顶板垂直水流方向钢筋的应力主要表现为受压状态，随时间的推进压应力呈增大趋势。这表明泵房两侧填土对削减流道顶板侧向拉应力产生了显著的作用，同时也表明35kV变电站和安装间下的桩基础对减小边荷载对流道顶板侧向拉应力也起到了作用。观测表明，流道顶板实际上没有出现计算中所产生的垂直水流方向的拉应力，只是在下游流道顶板靠近多叶拍门通气孔处顺水流方向的钢筋出现了拉应力，但其数值很小。上游顶板顺水流方向钢筋开始表现为受拉，但随着时间的推移也转变为受压状态。
底板钢筋以受压为主，只是在顺水流方向局部出现很小的拉应力。这个规律与计算相符。
7 结束语
通过对太浦河泵站泵房底板和流道进行三维整体有限元分析，并进行了观测设计，设计根据三维整体有限元分析计算结果，采取了一定的工程措施，对原设计方案进行了相应的调整。同时通过对泵房沉降以及底板和流道顶板应力的原型观测资料分析，来验证计算结果和所采取工程措施的合理性和效果。上述工作表明：
（1） 太浦河泵站泵房底板和流道的三维有限元分析对工程设计和起到了积极的指导作用，特别是对指导配筋，防止流道顶板和底板混凝土开裂有重要意义。
（2） 原型观测表明，太浦河泵站泵房底板和流道顶板的应力和位移状态满足设计和使用的要求，可以保证工程正常和安全的运行使用。
（3） 边荷载是软土地基上物产生不利应力和沉降的重要影响因素。采用桩基础将边荷载直接传到深层持力层，以及采取一定的工程措施减小回填土的高度，对减少边荷载的不利影响有明显的作用。
（4） 对闭合式（如泵站的流道、涵管等），可以通过先边墩（墙）和外侧填土，再浇注顶板混凝土，利用边墩（墙）和外侧填土来避免和削减顶板拉应力是有效果的。