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。