企肥学统学扳（自然科学版） ２０１０年５月第２０卷第２期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｍａｙ２０１０ Ｖｏ１．２Ｏ Ｎｏ．２ 基于ＡＮＳＹＳ的湿室型墩墙式泵房有限元结构分析 陶家俊 ，杨会明 （１．安徽水利水电职业技术学院资源与环境工程系，合肥２３１６０３；２．平罗县农业开发办公室，宁夏石嘴山 ７５３２００） 摘要：在对湿室型墩墙式泵房进行的结构分析中，三维有限元计算分析中考虑了底板、基础、墩墙的共同作用， 与平面分析存在差异．通过对计算结果的比较分析，为类似结构的计算提供参考． 关键词：湿室型泵房；有限元；结构分析；应力；应变 中图分类号：ＴＵ２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１６２Ｘ（２０１０）０２—０Ｏ４４—０４ ＡＮＳＹＳ－ｂａｓｅｄ Ｗｅｔ－ｒｏｏｍ－ｗａｌｌ—ｔｙｐｅ Ｐｉｅｒ Ｐｕｍｐ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＴＡＯ Ｊｉａ－ｊｕｎ ．ＹＡＮＧ Ｈｕｉ．ｍｉｎｇ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３１６０３； ２．Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｐｉｎｇｌｕｏ Ｃｏｕｎｔｙ，Ｓｈｉｚｕｉｓｈａｎ，Ｎｉｎｇｘｉａ ７５３２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｔ—ｃｈａｍｂｅｒ ｐｕｍｐ ｈｏｕｓｅ ｐｉｅｒ ｗａｌ１．Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔａｋｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｆｌｏｏｒ，ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｐｉｅｒ ｗａｌｌｓ ｔｏｇｅｔｈｅｒ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅｔ—ｃｈａｍｂｅｒ ｐｕｍｐ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｅｓｓ；ｓｔｒａｉｎ 水网圩田平原工程类型区的中小型灌排泵站，其泵房结构形式多为卧式机组宜采用分基型泵房或干 室型泵房；立式机组宜采用湿室型墩墙式泵房．湿室型泵房结构的特点是进水池与泵房合并建造，泵房分 上下两层，上层安装电动机与配电设备等，为电机层；进水池布置在泵房下面，形成一个湿室，安装水泵，为 水泵层．水泵层由墙与墩组成，除进水侧外，其余三面都建有挡土墙，水泵与水泵之间有隔墩；每台水泵都 有独立的进水池，板、梁直接设置于墙与墩上…． 本文采用ＡＮＳＹＳ的三维线弹性有限元静力计算对某排涝站进行内力分析，并与平面结果进行比较， 分析了它们之间的异同，对平面的简化计算结果做出评价． １ 工程概况和基本资料 某泵站站址区为长江冲积平原，早期为长江河道，后淤积成为滩地，经多年围垦发展成圩区．站址区原 始地形起伏不大，长江干堤修建后，沿堤身两侧形成坡地，该段堤顶高程为１５．７７～１６．１６ｍ，堤顶宽５～ ８ｒｎ，两侧低洼处高程４．６～５．０ｍ．在地貌上属长江高漫滩．站址区地基为第四纪全新世一晚更新世河流相 冲积地层，主要岩性为淤泥质中一重粉质壤土、淤泥质轻粉质壤土、粉质黏土～重粉质壤土、重粉质壤土， 底部为泥质灰岩．站址区未揭露较厚的粉细砂层． ２平面应力分析 ２．１边墩应力计算完建期边墩后填土到顶，尚未放水，可近似按平面问题考虑，取单宽墙段分析．主要 收稿日期：２００９—０９—２５ 修回日期：２０１０—０３—２８ 作者简介：陶家俊（１９７３一），男，上海人，安徽水利水电职业技术学院资源与环境工程系讲师，硕士；研究方向：水利工程． 第２期 陶家俊，等：基于ＡＮＳＹＳ的湿室型墩墙式泵房有限元结构分析 ４５ 荷载有边墩结构重力、上部结构重力、土重力及土压力；正常运行期边墙受力发生了改变，除了结构本身的 重力荷载外，还有水的作用，即水的重力及纵向水的推力，整个边墩成为一个空间受力体系；最高扬程运用 期与正常运行期边墩受力情况相似，只是强前水位有所变化，由１１．５ｍ降为１１．０ｍ；检修期泵室内无水， 边墩外侧有侧向水压力及土压力作用．将边墩视作固支于泵房底板上的悬臂梁进行内力计算，由于边墩底 部截面的轴力和弯矩均为最大，墩底截面的横向正应力计算按材料力学偏心受压公式计算，计算结果见表１． ２．２底板应力计算底板结构计算方法有三种，荷载组合法、倒置梁法及弹性地基梁法．该站属于中型泵 站，考虑到边荷载的影响，现选用弹性地基梁法对泵室底板进行结构计算．计算时取垂直水流方向１ｍ单 宽横向截条进行计算，计算步骤为：（１）确定４种计算工况；（２）进行地基反力计算；（３）不平衡剪力计算及 剪力分配计；（４）板条上荷载的计算；（５）边荷载的计算；（６）弯矩计算；（７）底板应力计算．计算结果见表１ 表１泵室应力计算结果 泵房地基最终降沉量按分层总和法计算，采用《泵站设计规范》（ＧＢ／Ｔ５０２６５—９７）中公式计算得沉降 量为８５ｍｍ、最大沉降差为２７ｍｍ． ３空间有限元分析 ３．１建模将泵房结构作为计算对象，考虑泵房底板与地基的相互作用，对１５．９１ｍ高程以下包括墩 墙、底板和地基进行整体空间三维有限元分析．水平方向各往外取３０ｍ，在上下游方向各延伸４０ｍ，在垂直 方向，从底板向下地基深度取５０ｍ．混凝土结构部分采用能 够较好模拟弯曲变形的空间非协调单元，底板和墩墙为Ｃ２５ 混凝土，弹性模量为２．８５×１０ ＭＰａ，地基部分采用空间协调 单元，底板以下７．２ｍ的按复合地基考虑，其变形模量为 ４．５ＭＰａ，其余为天然地基，变形模量为７ＭＰａ．采用有限元分 析系统ＡＮＳＹＳ进行三维有限元建模、分析和后处理．取整个 泵房和一定范围的地基作为一个整体结构剖分有限元网格． 有限元模型见图１，其坐标系取为：Ｏ点设在上游端对称面 （即最中间一个闸孔的底板中心）上，水流方向为 ，底板高 度方向为ｙ，垂直水流方向为 其中单元（六面体单元）总 数为３５ ８６８个，结点总数为４１ ９３５个． 图１三维有限元模型 ３．２材料和力学参数本研究中，涉及到泵房基础和泵房进水室两个部分，其中泵房进水室为混凝土，泵 房基础为不同类别的土体．考虑到与实际工程相吻合，对于泵房基础，采用三维实体单元Ｓｏｌｉｄ４５进行模 拟，对泵房进水室混凝土则采用ＡＮＳＹＳ专门的混凝土单元ＳＯＬＩＤ６５进行模拟分析，该单元不仅具有一般 实体／岩体材料的性质，还可以模拟钢筋、开裂等．混凝土采用线弹性材料，覆盖层采用理想弹塑性材料．根 据提供的资料，计算参数取为：强度等级为Ｃ２５；弹性模量 为２．８５×１０ ＭＰａ；泊松比 为０．１６７；容重ｒ 为２５．０ｋＮ／ｍ。．［。］ ３．３ 地基土 静力计算时不考虑地基的自重．根据地质勘探和土力学实验得到地基的有关参数如见 表２． ３．４计算结果分析按照以上计算模型和参数，对４种工况进行计算，求出了泵室结构的位移和应力．表 ３给出了各种工况下泵室结构的量大位移发生的位置．图２～图５给出了４种工况下的空间结构应力等直 线图． 合肥学院学报（自然科学版） 表２各土层承载力及压缩模量 第２Ｏ卷 图２ 完建期泵房下部结构应力等直线图 图３正常运行期泵房下部结构应力等直线图 图４最高扬程运用期泵房下部结构应力等直线图 图５检修期泵房下部结构应力等直线图 表３泵房及地基最大位移和位置 根据以上结果可以看出，完建期工况时泵室顶部的向下位移量大为６０．８ｒａｍ，而最高扬程运用期最 小，这是由于泵室结构的向下位移主要是由结构自身和向下固定荷载引起；另一方面，由于边荷载是按 １００％考虑，所以当边荷载越大时，泵室结构来说引起的向上位移越大．同时，地下水位越高，向上的浮托力 越大．所以泵室内水位越高，泵室结构的向下位移越小． 表４给出了闸室结构各种工况下的最大正应力和主应力值以致出现的位置坐标．可以看出，各种工况 第２期 陶家俊，等：基于ＡＮＳＹＳ的湿室型墩墙式泵房有限元结构分析 ４７ 下的最大正应力和主应力都比较大．最大正应力 为０．４６９ ９ ＭＰａ，最大主应力 为１．６２３ ０ ＭＰａ，都发生 在检修期，位置在隔墩的底部．这个结果与实际情况相比可能偏大，这是由于隔墩顶部假定完全自由，而边 荷载又是按１００％考虑． 表４泵房底板结构部分最大正应力和主应力 ４平面和空间结果的比较分析 （１）由于泵室部分在几何上是一个复杂的空间结构，荷载的分布往往也很复杂，几何特征和荷载特性 均与弹性理论中的平面应变条件有较大的差别．湿室型泵房泵室部分通常是把空间问题简化为平面应变 问题进行计算．就会造成平面计算结果与三维有限元计算结果产生较大的误差． （２）平面问题无法对顺水流方向的弯矩进行计算．由此可得，平面计算和空间计算存在一定的差异． （３）垂直水流方向的应力，在平面解和空间解在数值上和分布上都存在很大差异．在底板中部位，平 面解和空间解的分布规律比较一致，平面解大于空间解，平面计算结果是偏于安全的 ． （４）对泵房底板，平面解和空间解在应力分布是相同的，平面解在完建期底板是下压上拉的负弯矩； 正常运行期下拉上压的正弯矩；最高扬程运用期是下拉上压的正弯矩；检修期是下压上拉的负弯矩．泵站 结构在各种静力荷载作用下产生的整体竖向最大位移为８５ｍｍ，空间解中竖向最大位移为６０．８ｍｍ，两者 计算结果存在有差别．在各种情况下，泵室及地基应力均满足要求，泵房沉降量在规范允许范围内，说明该 工程具有足够的刚度和整体性． （５）对北埂排涝站泵室空间结构的三维有限元静力计算分析，由于计算模型有效地考虑了进水池墩、 底板、地基的相互作用，因而所得到的计算结果与常规方法相比更接近客观实际． （下转第９２页） ９２ 合肥学院学报（自然科学版） 第２Ｏ卷 创新思维，营造崇尚真知，追求真理的氛围．在面向全体、因材施教、形式多样、讲究实效的原则下，通过开 放实验室，可以达到充分调动学生学习专业知识的主观能动性，提高学习热情；充分挖掘学生创造性思维， 培养学生的动手能力；有利于学生对专业理论知识的深入、系统掌握以及实践研究能力的提高． 为保障开放实验室这一改革措施的顺利进行，必须建立一套适合无机非金属材料专业特点的开放实 验教学模式与开放实验教学管理模式．在开放实验室的过程中，首先要求学生必须经过对相关设备的使用 培训，考核合格后方可进入开放性实验室；其次要严格遵守实验室的各项规章制度，在实验指导老师的指 导下，进行实验活动；最后要求认真撰写开放实验报告，对实验项目的创新点、实验数据采集记录、实验操 作过程、实验结果、收获与体会等进行认真总结．实验报告必须由实验指导老师签字确认，作为对开放性实 验成绩进行考核的依据． ２．５改革实验成绩评价方式 传统的实验成绩的评定一般都以实验报告作为评分的依据，但是由于实验分组等原因，存在不同程度 的抄袭现象，很难对学生的成绩给予客观公正的评价．为此对学生实验成绩的评定进行了改革．对于基础 性实验以实验操作与实验报告为评价依据，其中实验操作现场考核，两项综合评定；对于综合性开放实验 的考核，改变传统的书写实验报告的方式，要求学生撰写相关的科技论文，通过启发和引导学生搜集资料， 分析问题，最终解决问题，从而提高学生综合分析问题的能力．此外，教师事先准备好与实验相关的思考 题，在实验过程进行随机抽查和提问，将学生回答问题的情况与实验报告成绩结合，最后给出学生的实验 成绩． “实践”是工科学生培养创新能力的最重要环节．实验教学有利于发挥学生的主观能动性，培养他们 独立自主地展开科研活动的能力和素质，是培养学生工程能力和创新能力的重要途径．针对无机非金属材 料专业实验教学过程中存在的一些问题和矛盾，对实验教学过程进行了教学改革的初步探索，提高了学生 学习的兴趣和主观能动．陛，起到了较好的教学效果． 参考文献： ［１］ 苟立，姚亚东，张萍，等．加强实验教学，培养无机非金属材料工程创新人才［Ｊ］．实验技术与管理，２００６，２３（３）：１１—１２． ［２］ 黄佳木，彭小芹．无机非金属材料工程专业实验课程体系的改革思路［Ｊ］．重庆大学学报：社会科学版，２００１，７（５）： １８０．１８１． ［３］谢峻林，张联盟，吴建峰．无机非金属材料专业实验与工程实践教学体系的改革［Ｊ］．理工高教研究，２００２，２１（４）：４３－４４． ［４］林枫，刘剑虹，王超会．无机非金属材料专业实验教学体系的整体优化［Ｊ］．高师理科学刊，２００７，２７（１）：９６－９８． ［５］ 石棋，付江盛，胡伯文，等．无机非金属材料专业开放实验室教学管理改革的研究与实践［Ｊ］．景德镇高专学报，２００８， ２３（２）：４２－４３． ［６］ 陈玲莉，冯小平，伍洪标，等．无机非金属材料专业实验教学改革的实践［Ｊ］．建材高教理论与实践，２００１，２０（４）：８６—８７． ［７］ 李博文．地质院校无机非金属材料专业教学方向初探［Ｊ］．中国地质教育，１９９５（２）：４２４３． ［８］樊传刚，冒爱琴，朱伟长．无机非金属材料工程专业建设的实践［Ｊ］．安徽工业大学学报：社会科学版，２００５，２２（２）：９８－９９． ［责任编校：李军］ （上接第４７页） 参考文献： ［１］ 袁俊森，万亮婷．水泵及水泵站［Ｍ］．郑州：黄河水利出版社，２００２：１３７． ［２］ 张朝辉．ＡＮＳＹＳ ８．０热分析教程与实例解析有限单元法程序设计［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００５：２２１． ［３］丘传忻．泵站工程［Ｍ］．武汉：武汉大学出版社，２００１：１７６． ‘ ［４］ 中华人民共和国水利部．泵站设计规范［Ｍ］．北京：中国计划出版社，１９９７：２７． ［５］皮积瑞，解广润．机电排灌设计手册［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９２：２３３． ［６］林毅峰．太蒲河泵站底板空问和平面有限元分析及其比较研究［ＥＢ／ＯＬ］．（２００９—０７—１５）［２００９—１２—２０］ｈｔｔｐ：／／ ＷＷＷ．ｃｎｋｉ．ｃｏｎ．ｃｎ／Ａｒｔｉｃｌｅ／Ｅ／ＣＪＦＤＴｏｔａｌ—ＳＬＳＤ２００４０／０／／．ｈｔｍ． ［责任编校：李军］