萬家寨水利樞紐全埋式金屬蝸殼結(jié)構(gòu)三維有限元分析

萬家寨水利樞紐全埋式金屬蝸殼結(jié)構(gòu)三維有限元分析

1結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)與有限元分析殼和周邊混凝土的結(jié)合結(jié)構(gòu)是水庫施工現(xiàn)場的重要結(jié)構(gòu)。前人對于這種結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)與有限元分析研究已做過不少工作。由于蝸殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜,目前仍然有許多問題需要深入研究,尤其是大中型水電站蝸殼結(jié)構(gòu)的研究更為突出。從蝸殼組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)情況來看,目前國內(nèi)外的大中型水電站主要有以下3種型式。1.1鋼蝸殼開放系統(tǒng)鋼混凝土結(jié)構(gòu)此類設(shè)計(jì)通常在鋼蝸殼上半圓表面鋪設(shè)彈性墊層,把鋼蝸殼和外圍混凝土分開,其內(nèi)水壓力完全由鋼蝸殼承擔(dān),而外圍混凝土結(jié)構(gòu)只承受結(jié)構(gòu)自重與上部設(shè)備傳來的荷載。我國目前實(shí)行的《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》(SD335—89)(試行)中規(guī)定了一般水電站蝸殼就采用這種結(jié)構(gòu)型式。1.2鋼蝸殼結(jié)構(gòu)型式鋼蝸殼安裝后外圍直接澆筑鋼筋混凝土,鋼蝸殼相當(dāng)于鋼襯,即鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)型式剛度大,安全性高。由于用鋼筋替代了鋼板受力,減小了鋼蝸殼厚度,不僅緩解了鋼蝸殼加工過程中的技術(shù)困難,而且獲得經(jīng)濟(jì)上的效益。前蘇聯(lián)對這種蝸殼結(jié)構(gòu)型式研究較多,并應(yīng)用于薩揚(yáng)舒申斯克等電站中。北歐一些國家和日本在高水頭抽水蓄能電站中也采用過這種蝸殼結(jié)構(gòu)型式。1.3部分聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)型式在外圍混凝土澆筑之前,對已安裝好的鋼蝸殼施加一定水頭的內(nèi)水壓力進(jìn)行充壓(預(yù)壓),并在充壓狀態(tài)下澆筑外圍混凝土,待外圍混凝土凝固后(例如穩(wěn)壓7d之后)撤除鋼蝸殼內(nèi)水壓力。這樣,在鋼蝸殼和外圍混凝土之間便形成一定間隙,機(jī)組運(yùn)行時(shí),當(dāng)工作水頭低于預(yù)壓水頭時(shí),內(nèi)水壓力由鋼蝸殼單獨(dú)承擔(dān),當(dāng)工作水頭高于預(yù)壓水頭時(shí),超過預(yù)壓水頭部分則由鋼蝸殼和外圍鋼筋混凝土聯(lián)合承擔(dān)。。這就是所謂的部分聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)型式。這種結(jié)構(gòu)型式可減少外圍鋼筋混凝土所承受的內(nèi)水壓力,以減少其配筋量,增加機(jī)組的穩(wěn)定性。對于高水頭電站或機(jī)組容量較大的電站,采用這種結(jié)構(gòu)型式較為合適。美國大古里電站、加拿大麥卡電站、委內(nèi)瑞拉古里電站等均采用這種結(jié)構(gòu)型式。我國近年興建的廣州抽水蓄能電站、十三陵抽水蓄能電站、潘家口抽水蓄能電站、二灘水電站等亦采用這種蝸殼結(jié)構(gòu)型式。萬家寨水電站采用設(shè)置墊層的蝸殼組合結(jié)構(gòu)。本文重點(diǎn)研究了兩個(gè)問題:①水電站帶彈性墊層蝸殼組合結(jié)構(gòu)的合理力學(xué)模型;②蝸殼鋼襯與外圍混凝土之間鋪設(shè)彈性墊層的合理范圍。2機(jī)組段蝸殼結(jié)構(gòu)萬家寨水電站裝機(jī)6臺(tái)。本文用1#～4#發(fā)電機(jī)組資料重點(diǎn)研究合理力學(xué)模型問題,用5#、6#機(jī)組資料重點(diǎn)研究彈性墊層的合理包角問題。計(jì)算范圍取一個(gè)機(jī)組段蝸殼組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,底部假定固定在EL.887.70m尾水管肘管段頂面高程上,上部至機(jī)墩EL.904.412m,下游至廠房下游墻內(nèi)側(cè),上游至蝸殼外圍混凝土上游邊界,兩側(cè)為機(jī)組間橫縫。其中上部風(fēng)罩、發(fā)電機(jī)層和電纜層樓板簡化為靜荷載,直接作用在EL.903.19m機(jī)墩上。機(jī)組段兩側(cè)橫縫假定為自由邊界(見圖1),頂部EL.904.412m平面無任何約束。廠房上、下游邊界,沿上、下游方向?yàn)榉ㄏ蚣s束。2.1組合承載模型1#～4#機(jī)組段取兩種力學(xué)模型:①蝸殼內(nèi)水壓力—鋼襯—墊層—外圍混凝土—結(jié)構(gòu)上部荷載及自重(簡稱組合承載模型);②蝸殼外圍混凝土只承受結(jié)構(gòu)自重和上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載,內(nèi)水壓力全部由蝸殼鋼襯承擔(dān)(簡稱為規(guī)范模型)。5#、6#機(jī)組段力學(xué)模型同前述①,只是由于采用墊層包角及墊層厚度不同又分為3個(gè)模型,如表1。2.2磁極短路工況1#～4#機(jī)組及5#、6#機(jī)組的控制工況全為半數(shù)磁極短路工況,它們的荷載及其組合如表1。由于機(jī)組構(gòu)造不同,根據(jù)研究分析目的共分為5個(gè)計(jì)算方案。2.3材料屬性(1)混凝土E=2.6×104MPa;γ=25kN/m3;μ=1/6。(2)殼體螺釘E=2.06×105MPa;γ=78.5kN/m3;μ=0.3。(3)彈性涂層E=1.8MPa;γ=1.45kN/m3;μ=0.35。2.4u3000坐標(biāo)系根據(jù)蝸殼組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選用兩種坐標(biāo)系:①直角坐標(biāo)系:坐標(biāo)原點(diǎn)選在887.7m高程上,Y軸與機(jī)組中心線相一致,向上為正。Z軸與鋼管中心線相平行,指向上游為正。X軸指向左方為正(如圖2);②圓柱坐標(biāo)系:取機(jī)組中心線為豎軸(即Y軸),r為計(jì)算點(diǎn)到豎軸距離,θ為通過計(jì)算點(diǎn)和豎軸半平面與YOZ平面夾角(YOZ平面θ=0°),以逆時(shí)針方向?yàn)檎?。組合結(jié)構(gòu)各部分選用的坐標(biāo)系如下:①引水鋼管段采用直角坐標(biāo)系;②蝸殼外包混凝土、鋼襯、軟墊層和座環(huán)部分(θ=270°至θ=-40°)采用圓柱坐標(biāo)系;③兩種坐標(biāo)系斷面搭接情況如圖2。計(jì)算采用8～21節(jié)點(diǎn)六面體等參單元,整體結(jié)構(gòu)共劃分為2014個(gè)單元,2946個(gè)節(jié)點(diǎn)。3計(jì)算與分析3.1計(jì)算方法方案1在上部荷載、蝸殼內(nèi)水壓力及結(jié)構(gòu)自重作用下,蝸殼外圍混凝土中的徑向正應(yīng)力σr在蝸殼上部除蝸殼進(jìn)口斷面(θ=265°)有一定拉應(yīng)力外,其余各斷面都為壓應(yīng)力。這是由于蝸殼上半圓鋪設(shè)了彈性墊層之故。在蝸殼下部由于沒有鋪設(shè)彈性墊層,在各斷面σr都存在較大拉應(yīng)力,其最大值為0.744MPa(θ=265°斷面)。方案2由于沒涉及蝸殼內(nèi)水壓力作用,使徑向正應(yīng)力σr在蝸殼上、下部及側(cè)向基本上都為壓應(yīng)力。水流環(huán)向正應(yīng)力σθ在方案1、2各斷面基本上均為壓應(yīng)力。豎向正應(yīng)力σy,在方案1、2的蝸殼上、下部及側(cè)向均為壓應(yīng)力。由于方案2的力學(xué)模型沒有考慮蝸殼內(nèi)水壓力向外圍混凝土傳遞,而由蝸殼鋼襯單獨(dú)承擔(dān),致使方案2與方案1的豎向正應(yīng)力σy在蝸殼側(cè)向與底部有較大差異。計(jì)算點(diǎn)位置見圖3,計(jì)算結(jié)果詳見表2。由上述結(jié)果表明,即使在蝸殼鋼襯上半圓鋪設(shè)了彈性墊層,其蝸殼內(nèi)水壓力還是要傳遞到蝸殼外圍混凝土中。所以在進(jìn)行蝸殼組合結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時(shí)其力學(xué)模型一定要取作“蝸殼內(nèi)水壓力—蝸殼鋼襯—墊層—外圍混凝土—上部荷載及自重”聯(lián)合作用,否則類似方案2(規(guī)范力學(xué)模型)那樣,認(rèn)為蝸殼上半圓鋪設(shè)了彈性墊層,其內(nèi)水壓力完全由蝸殼承擔(dān),而其外圍混凝土結(jié)構(gòu)只承受結(jié)構(gòu)自重和上部傳來的荷載,其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大。3.2蝸殼進(jìn)口斷面拉伸應(yīng)力方案3、4、5力學(xué)模型均為“組合承載模型”,主要目的在于研究5#、6#機(jī)組段蝸殼外圍混凝土應(yīng)力情況。在上部荷載、蝸殼內(nèi)水壓力及結(jié)構(gòu)自重作用下,3個(gè)方案的環(huán)向正應(yīng)力σθ在各斷面各高程點(diǎn)基本上都是壓應(yīng)力,只是在個(gè)別斷面(Z=0.30m)有較小拉應(yīng)力。3個(gè)方案的徑向正應(yīng)力σr分布規(guī)律是一致的。蝸殼底部正下方外圍混凝土中σr均為受拉區(qū),遠(yuǎn)離機(jī)組中心線一般變成受壓區(qū)。在蝸殼上部σr除θ=265°蝸殼進(jìn)口斷面有較小拉應(yīng)力外,其余各斷面均為壓應(yīng)力。蝸殼外圍混凝土中徑向拉應(yīng)力顯然主要是由蝸殼內(nèi)水壓力造成的,由于在堝殼上半圓鋪設(shè)了彈性墊層,使蝸殼內(nèi)水壓力傳遞到其外圍混凝土中較小,只是在蝸殼進(jìn)口斷面有較小拉應(yīng)力。而在蝸殼下部沒有鋪設(shè)彈性墊層,使其內(nèi)水壓力傳遞到蝸殼外圍混凝土中較大,致使σr在蝸殼下部拉應(yīng)力較大,方案3、4、5σr最大拉應(yīng)力分別為0.735,0.755,0.774MPa。3個(gè)方案的豎向正應(yīng)力σy分布規(guī)律基本上是一致的。蝸殼下部σy在大多數(shù)斷面為壓應(yīng)力,個(gè)別斷面σy在蝸殼下部兩側(cè)有一定拉力區(qū)。在蝸殼上部混凝土中3個(gè)方案的σy全為壓應(yīng)力。在蝸殼側(cè)向3個(gè)方向的豎向正應(yīng)力σy各斷面全為拉應(yīng)力,其最大值均發(fā)生在θ=265°蝸殼進(jìn)口斷面上,3個(gè)方案的σy最大拉應(yīng)力分別為0.195,0.81,0.825MPa。在蝸殼側(cè)向σy三個(gè)方案均產(chǎn)生拉應(yīng)力,原因?yàn)槲仛ど喜繅|層包角較小,在側(cè)向產(chǎn)生應(yīng)力集中,尤其方案4、5其墊層包角僅為165°,表現(xiàn)更為突出。由于3個(gè)方案的蝸殼墊層鋪設(shè)范圍及厚度不同,其應(yīng)力情況有明顯差別。而蝸殼進(jìn)口斷面的應(yīng)力狀況更能代表各個(gè)方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。3個(gè)方案的蝸殼進(jìn)口斷面σr及σy應(yīng)力值見表3。4鋼架的基礎(chǔ)變形(1)對于水電站蝸殼鋼襯與外圍混凝土鋪設(shè)彈性墊層的組合結(jié)構(gòu),在進(jìn)行其結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時(shí),其力學(xué)模型要取作“蝸殼內(nèi)水壓力—鋼襯—彈性墊層—外圍混凝土—上部荷載及自重”聯(lián)合作用。否則類似《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定那樣,認(rèn)為蝸殼上半圓鋪設(shè)了彈性墊層,其內(nèi)水壓力完全由蝸殼承擔(dān),而外圍混凝土結(jié)構(gòu)只承受結(jié)構(gòu)自重和上部傳來的荷載,其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大。(2)水電站蝸殼上半圓鋪設(shè)彈性墊層的包角一般情況下要大于或等于180°,不可小于18