廠壩分縫處的伸縮管應(yīng)力狀態(tài)分析

廠壩分縫處的伸縮管應(yīng)力狀態(tài)分析

取消水庫(kù)后大壩的擴(kuò)建是發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)大型水電站中通常采用外包軟墊層的伸縮管以適應(yīng)廠壩間的不均勻變位。為改善廠壩分縫處壓力鋼管的受力狀態(tài),通常在廠壩分縫處的伸縮管段設(shè)置一道預(yù)留環(huán)縫,在大壩和廠房自重產(chǎn)生的變形基本完成后,選擇合適時(shí)機(jī)再對(duì)預(yù)留環(huán)縫進(jìn)行合攏施焊。為提高廠壩間整體穩(wěn)定性、改善廠壩分縫處局部及伸縮管始末端外包混凝土的應(yīng)力集中現(xiàn)象,通常在廠壩間采用整體連接形式,即在廠壩縱縫中設(shè)置鍵槽和灌漿系統(tǒng),待混凝土溫度降為設(shè)計(jì)灌漿溫度后再灌漿,使大壩與廠房形成為一個(gè)整體。鑒此,本文以景洪水電站壩后背管工程為例,采用墊層管方案及廠壩間整體連接形式,對(duì)不同蓄水過(guò)程環(huán)縫焊接時(shí)間、灌漿時(shí)機(jī)和效果影響管道應(yīng)力的情況進(jìn)行了敏感性分析,以確定最優(yōu)的預(yù)留環(huán)縫合攏時(shí)機(jī)及合適的灌漿時(shí)機(jī),為工程施工提供有益參考。1壩體結(jié)構(gòu)及壩體應(yīng)力分析采用大型通用有限元軟件ANSYS建立包括進(jìn)水口攔污柵墩、壓力管道、管道壩段、實(shí)體壩段、廠房及地基在內(nèi)的三維有限元整體結(jié)構(gòu)模型?？紤]計(jì)算模型規(guī)模的限制,建模時(shí)對(duì)廠房水輪機(jī)層以上結(jié)構(gòu)作了簡(jiǎn)化,其重量作為荷載施加于計(jì)算模型上。模型網(wǎng)格見圖1,鋼管起始端至廠壩接縫面的網(wǎng)格見圖2。進(jìn)水口、壓力管道、壩體和廠房混凝土、墊層及地基絕大部分采用八節(jié)點(diǎn)等參單元,少量采用三棱柱單元;攔污柵墩連系梁采用兩節(jié)點(diǎn)空間梁?jiǎn)卧M;鋼管采用板殼單元模擬。邊界條件為:①因大壩和廠房間存在永久橫縫,故大壩和廠房?jī)蓚?cè)全部視為自由面;②考慮各壩段之間基礎(chǔ)變位的連續(xù)性,將計(jì)算壩段基巖兩側(cè)面沿橫向施加法向位移約束;③基巖的上、下游端面和底面為法向位移約束。計(jì)算中混凝土和鋼管的基本力學(xué)參數(shù)見表1。伸縮管段鋼管壁厚取36mm,墊層厚度30mm,彈性模量2MPa,伸縮管長(zhǎng)度9.75m(分縫前為5m,分縫后4.75m)。計(jì)算中假定施工過(guò)程先I期壩體混凝土施工,再II期背管混凝土施工,最后蓄水。伸縮管預(yù)留環(huán)縫合攏及接縫灌漿前,假定結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的相對(duì)變位已完成,在伸縮管上無(wú)附加應(yīng)力。采用單元生死形式進(jìn)行施工過(guò)程模擬,用死單元模擬建筑物尚未施工部分,通過(guò)分步激活特定位置的單元模擬施工程序。2鋼管應(yīng)力分析在進(jìn)行伸縮管預(yù)留環(huán)縫焊接時(shí)間對(duì)鋼管影響的敏感性分析時(shí),研究了常規(guī)荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力特性。壩后背管承受的常規(guī)荷載包括結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí)管內(nèi)水錘壓力、管徑變化及轉(zhuǎn)彎處水壓力、離心力和壩體變位作用(主要由大壩自重、上下游水壓力、揚(yáng)壓力等引起)。對(duì)不同蓄水位環(huán)縫焊接研究了三個(gè)方案:①方案A-1。壩上游水壓力為下閘蓄水前無(wú)水。②方案A-2。死水位591.00m、1臺(tái)發(fā)電機(jī)尾水位535.73m。③方案A-3。正常蓄水位602.00m、4臺(tái)機(jī)發(fā)電尾水位539.13m。根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》,鋼管的應(yīng)力按第四強(qiáng)度理論計(jì)算,等效應(yīng)力為:σ=σ2θ+σ2x?σθσx+3τ2θx??????????????????√≤σRσ=σθ2+σx2-σθσx+3τθx2≤σR(1)式中,σθ為環(huán)向應(yīng)力,以拉為正,MPa;σx為軸向應(yīng)力,以拉為正,MPa;τθx為剪應(yīng)力,MPa;σR為鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值:σR=(γ0ψγd)-1f(2)式中,γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),Ⅰ級(jí)建筑物取1.1;γd為結(jié)構(gòu)系數(shù),對(duì)不同管型取相應(yīng)的值;ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù),持久狀況取1.0,偶然狀況取0.8。各管型不同設(shè)計(jì)狀況的鋼材抗力限值見表2。以管腰0°位置為例,伸縮管段各斷面鋼襯的應(yīng)力見表3。根據(jù)應(yīng)力分布取二個(gè)控制斷面分析,主要控制斷面及關(guān)鍵點(diǎn)位置見圖3。在單獨(dú)壩體變位作用(壩上游面水壓力、壩底揚(yáng)壓力及相應(yīng)的下游面水壓力)下,伸縮管段鋼管管的軸向?yàn)閴簯?yīng)力,數(shù)值較小。在單獨(dú)內(nèi)水壓力作用下,伸縮管的軸向?yàn)槔瓚?yīng)力,數(shù)值較大。在蓄水前進(jìn)行接縫灌漿和推遲鋼管環(huán)縫焊接時(shí)間,可減小壩體變位作用引起的鋼管軸向壓應(yīng)力。由表3可知,A-1的伸縮管段軸向拉應(yīng)力較A-2、A-3的拉應(yīng)力減小,因此方案A-2與A-3鋼管的等效應(yīng)力較A-1降低但降幅較小。這表明在蓄水前就對(duì)廠壩分縫進(jìn)行灌漿處理,伸縮管預(yù)留環(huán)縫焊接時(shí)間對(duì)鋼管應(yīng)力影響很小。3廠壩分縫對(duì)鋼襯應(yīng)力的影響假定在蓄水前進(jìn)行鋼管預(yù)留環(huán)縫焊接。針對(duì)不同蓄水高度分縫處鍵槽灌漿處理進(jìn)行敏感性分析,以確定最佳的鍵槽灌漿時(shí)間。主要考慮結(jié)構(gòu)在常規(guī)荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力特性,進(jìn)行了三個(gè)方案的計(jì)算:①方案B-1。下閘蓄水前無(wú)水。②方案B-2。死水位591.00m、1臺(tái)機(jī)發(fā)電尾水位535.73m。③方案B-3。正常蓄水位602.00m、4臺(tái)機(jī)發(fā)電尾水位539.13m。管腰0°位置各斷面伸縮管段鋼襯的應(yīng)力見表4,控制斷面見圖3。在上游庫(kù)水壓力作用下,廠壩分縫兩側(cè)出現(xiàn)較大的相向相對(duì)位移,而廠壩間僅通過(guò)伸縮管相互傳力,從而在伸縮管內(nèi)產(chǎn)生很大軸向壓應(yīng)力,隨接縫灌漿前蓄水位的升高鋼管等效應(yīng)力也隨之增大。B-3方案管道過(guò)縫處的最大的MISES應(yīng)力達(dá)179.0MPa,1-1斷面附近的鋼管MISES應(yīng)力高達(dá)215.6MPa,在尚未考慮溫度荷載的作用下已不能滿足鋼管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求?？梢?采用外包軟墊層的伸縮管過(guò)縫,在上游正常蓄水位情況下灌漿,對(duì)伸縮管處管道的應(yīng)力不利。這表明壓力鋼管的過(guò)縫結(jié)構(gòu)形式與廠壩連接形式相互影響,在蓄水前最好進(jìn)行廠壩接縫處的鍵槽灌漿,否則將會(huì)惡化伸縮管的應(yīng)力狀態(tài)。4廠壩分縫處錨點(diǎn)壓采用整體連接的廠壩連接形式,在廠壩分縫處542.0m高程以下設(shè)鍵槽并做接縫灌漿。該高程達(dá)水輪機(jī)層以上,可明顯改善廠壩分縫處局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,對(duì)結(jié)構(gòu)受力更為有利。為保持壩體和廠房在運(yùn)行時(shí)的整體性和有效傳遞壓力,一般在接縫面上布置鍵槽,并在鍵槽部位埋設(shè)灌漿管,待廠壩位移和混凝土溫度相對(duì)穩(wěn)定后再進(jìn)行并縫灌漿,使大壩與廠房形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。對(duì)方案A-1,在蓄水前接縫灌漿并進(jìn)行環(huán)縫焊接時(shí),分縫處鍵槽的合攏效果及計(jì)算方案、荷載組合見表5。管腰0°斷面伸縮管段鋼襯應(yīng)力見表6。為比較分析,表中列出了方案A-1(即分縫處鍵槽合攏效果良好)分縫處鋼管的應(yīng)力。由表6可知,廠壩之間有縫隙時(shí)(方案C-1),在分縫處附近鋼管的應(yīng)力較完全粘結(jié)時(shí)提高約20MPa。灌漿材料的彈模降低一半對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響。由此可見,廠壩分縫處的鍵槽合攏時(shí)若存在縫隙會(huì)對(duì)鋼管產(chǎn)生不利的影響,使分縫處鋼管局部應(yīng)力增大,因此在施工中應(yīng)引起重視。灌漿材料的選取具更多自由度。在接縫灌漿時(shí)可考慮采用具有適當(dāng)膨脹性能的灌漿材料,可補(bǔ)償收縮并形成一定的膨脹量以提高灌漿效果。5施工前鋼管環(huán)縫焊接a.取消廠壩間常規(guī)伸縮節(jié)后,采用外包軟墊層的伸縮管適應(yīng)廠壩間的不均勻變形,廠壩間采用整體連接形式技術(shù)可行。b.蓄水前對(duì)廠壩分縫進(jìn)行接縫灌漿,且鍵槽灌漿狀態(tài)良好,則在較高的蓄水位下進(jìn)行鋼管環(huán)縫焊接可減小鋼管的軸向壓應(yīng)力,等效應(yīng)力相應(yīng)減小,但效果不明顯。為便于安排施工工序可選擇在蓄水前進(jìn)行環(huán)縫焊接。c.蓄水前未進(jìn)行廠壩分縫灌漿而焊接鋼管環(huán)縫,將大為降低廠壩間的聯(lián)合作用,鋼管將出現(xiàn)較大的軸向壓應(yīng)力。隨蓄