架空异型箱涵在某电厂循环水系统中应用

      摘要：某电厂为避免与当地纠纷对循环水排水系统提出设计优化，采用异型箱涵上跨敞开式引水明渠直接温排水的方案，考虑架空异型箱涵受力与变形的空间效应，采用有限元软件对异型箱涵进行三维有限元计算分析，有关设计经验可为类似工程提供一些参考。

　　关键词：循环水系统：架空异型箱涵；三维有限元分析

　　某电厂位于潮汕地区某镇龙头山西侧，规划总装机容量为6×1000MW国产超超临界燃煤发电机组，一期工程规划建设4×1000MW国产超超临缸界燃煤发电机组。机组冷凝采用海水直流循环系统，开敞式明渠取排水。因设计采用炉后海水脱硫工艺和厂区总平的优化布置，排水明渠与引水明渠相互交叉，排水口位于龙头山西侧。在电厂征地及建设过程中，经常会与当地村民因为经济纠纷而产生矛盾，影响工程建设进度。并且龙头山为当地的宗教场所，为了减少与当地村民的摩擦，电厂业主方提出排水口不能直冲龙头山。

　　1　设计方案优化

设计采用两种方案，方案1：炉后排水明渠通过排水箱涵上跨引水明渠，后排入护岸外侧排水明渠排放，箱涵中心轴线垂直于引水明渠轴线。方案2：炉后排水明渠通过排水箱涵上跨引水明渠后直接排放，箱涵中心轴线与引水明渠轴线成38°斜角，(见图1)。
　　
　　分别对方案1和方案2进行概算比较，方案2比方案1可节约投资约200万，方案2排水工艺更加合理，并且方案1占用较多的海域面积，容易引起排水口附近的泥沙淤积。最终设计选用方案2，考虑引水明渠工艺要求，明渠中尽量减少支墩，且支墩平行于明渠中心轴线，以免影响水流流态，缺点是排水箱涵结构断面形式较为复杂。

　　2　异形箱涵设计

　　跨中的排水箱涵为3孔现浇钢筋砼结构，单孔净空4×2.5m，净跨9m，结构呈锐角为380的菱形结构详见图2。桥梁中的斜板多为二维计算方法，而架空异型箱涵较斜板则为复杂的三维结构，箱涵空间效应明显，易产生应力集中和扭曲，结构受力变形后会进行空间应力应变重分布，其结构计算既不能沿断面方向作平面框架简化，又不能在平面方向按单(双)向板计算顶板和底板的受力。因此对架空异型箱涵采用ANSYS进行了整体有限元计算分析。计算内容包括箱涵在自重、水、土、温度等荷载作用的应力、应变、内力、变形等，架空异型箱涵在低潮位完全裸露时为其最不利工况，箱涵两端与支墩假定为简支。

　　2.　1计算需要考虑如下荷载：
　　结构自重按2500kg/m3计算，荷载分项系数取1.2：按箱涵内满水无压流计算水压力，即水压力仅对侧墙和底板起作用；水压力按7h计算，r=lOkN/m3：水压力分项系数取1.27。根据工艺资料，箱涵内外温差按12℃考虑，温度作用分项系数取1.1：顶部活荷载按1.0kPa计算(低潮位时箱涵露出水面)，活荷载分项取1.4。

　　2.2　箱涵有限元模型
　　采用ANSYS空间六面体20节点等参单元(热分析时采用thermalsolid 90单元，结构分析时采用structural solid 95单元)对整体结构进行网格剖分，有限元模型全部剖成六面体单元，以提高精度；单元的长厚比最大值控制在2以内，单元剖分能反映构筑物的轮廓形状、荷载分布等情况。

　　2.3　热固耦合后的位移计算分析
　　对箱涵施加水压力、自重等荷载，同时耦合温度作用，所得的耦合位移计算结果见图3。计算结果表明，箱涵锐角处出现了较大的翘曲位移，最大翘曲位移为6.81mm，主要由温涨变形引起。

   　2.4　热固耦合后的主拉应力计算分析
　　顶板主拉应力云图表明，在顶板上部钝角处、隔墙上部、以隔墙为支撑的顶板跨中等部位均出现了较大的主拉应力区，并且跨中弯矩向钝角方向靠拢。隔墙上部、顶板跨中等部位的主拉应力方向基本为垂直隔墙、侧墙方向，仅在靠近端部部位出现渐变，至端部边沿，主拉应力方向渐变为与端部平行。顶板上部及下部主拉应力云图分别见图4、图5。

　　底板主拉应力云图表明，隔墙下部、隔墙之间的支座附近等部位存在较大的主拉应力，主拉应力方向基本为垂直支座方向，仅在隔墙下部出现向垂直隔墙方向偏转的趋势，底板上部及下部主拉应力云图分别见图6、图7

       根据DL/T 5057—1966水工混凝土结构设计规范附录H的规定，非杆件体系钢筋混凝土的配筋可由弹性应力图形确定，因此异型箱涵配筋须先计算结构的弹性应力反应。鉴于工程的实际配筋情况，出于提高安伞等级的考虑，对附录H给出的配筋面积计算公式进行了修正，按混凝土不承担截面拉力的原则进行设计。并加强钝角区域和箱涵支撑区域配筋，以抵抗较大的应力变形。

　　考虑到地处8度的地震区，对箱涵支撑处参考公路桥梁支座设计，设计了橡胶支座，消减上下部结构所受的动力作用，以缓冲地震力。

　　3　结束语

　　(1)循环水取排水系统占电厂土建投资均比较高，取排水方案设计优化即可以为电厂节约较大的投资费用，也可以减少对当地环境的影响。

　　(2)对于异型架空箱涵结构计算采用传统的计算方法容易导致偏保守或局部失稳，没有较好的考虑异型箱涵空间效应和变形协调的影响，采用有限元整体分析作为设计参考，结合传统的静力学计算方法为工程提供适合的安全余度。也为日后其他工程解决类似问题提供较好的例证。

　　该工程已经施工完成并投入运行，经过现场观测，符合设计方案预期功能。