三峡水电站充水保压蜗壳平面非线性分析

1、三峡水电站充水保压蜗壳平面非线性分析             摘要采用自编的三维钢筋混凝土非线性有限元程序，对三峡水电站充水保压蜗壳进行了平面非线性分析，分析了钢蜗壳及外围钢筋混凝土的应力变形特性。非线性计算分析表明，在蜗壳进口断面处，虽然外围混凝土较薄，但在设计内水压力、结构自重和设备重量这些荷载组合作用下，蜗壳进口断面混凝土可能不会开裂，因此钢材应力均比较低，结构具有较高的安全度。说明现有配筋方案钢筋用量可能偏多，没有充分发挥钢材的作用，在进一步设计时可以适当优化。 关键

2、词水电站厂房 钢蜗壳 钢筋混凝土 非线性有限元   蜗壳结构是水电站厂房水下结构的重要组成部分之一。三峡水电站的蜗壳结构型式经有关单位长期研究分析和专家组多次审查，决定采用“充水保压”浇筑钢蜗壳外围混凝土的方案。三峡水电站机组单机容量大、机组台数多，运行期分为初期和后期两个阶段，结合三峡水电站的特点，合理选择钢蜗壳外围混凝土浇筑时的保压值和配筋方式，不仅是个重大的技术经济问题，而且也关系到电站是否能长期安全运行。三峡工程的建设方针是“一次建成，分期运行”，建成后初期运行时水位较低，如果浇筑混凝土时钢蜗壳内充水保压的压力值取得较大，虽然在运行时外围混凝土分担的内水压力可以较小

3、，但在初期运行期内，钢蜗壳不能与外围混凝土紧密相接，不利于增加机组基础刚度、减小机组振动。相反，如果充水保压的压力值取得过小，虽然在初期运行大部分时间内钢蜗壳能与外围混凝土结成整体，增加刚度，但在电站后期运行时，库水位抬高，外围混凝土分担的内水压力较大，由于钢蜗壳外包钢筋混凝土较薄，可能引起混凝土开裂。因此，本文在合理选择钢蜗壳充水保压值1的基础上，对最薄弱的蜗壳进口断面进行了进一步的平面非线性有限元分析，以优化结构设计和钢筋配置。1 钢筋混凝土非线性有限元程序  计算程序是在一个岩土程序的基础上改编而成的三维非线性有限元程序。它不仅可以对地下洞室的开挖、支护和运行进行模拟

4、计算，也可以对地面上的钢筋混凝土结构（如钢衬钢筋混凝土管道、分岔管和蜗壳等）的应力状态、开裂特性以及承载能力进行分析。1.1 岩石、混凝土的模拟  其中；=a2sin2-c2cos2；m=(x+y+z)/3；式中：为残留抗剪系数，其值反映由于骨料联锁或表面啮合作用可以承受的部分剪力，显然，应有01。类似地，对于双向拉裂或三向拉裂情况，也可以对应力-应变关系矩阵进行相应的修改。         1.2 钢筋的模拟 式中：y=fy/Es为钢筋屈服强度对应的应变。2 计算模型与条件2.1 计

5、算模型 根据三维线性有限元计算结果1可知，蜗壳进口段由于管径最大，外包混凝土较薄，在内水压力和上部设备荷载作用下，该部位混凝土拉应力最大，有可能出现裂缝。为此，取蜗壳进口断面一片（厚0.3m）进行非线性有限元分析，以了解钢蜗壳和外包钢筋混凝土的受力特点及裂缝规律，蜗壳进口断面计算简图和配筋情况如图4所示。计算时，钢蜗壳、座环和混凝土采用8结点等参单元模拟，钢筋采用分布式钢筋模型，分别采用各自的材料本构关系。2.2 荷载及荷载组合 三峡水电站在运行过程中，与水轮机蜗壳有关的荷载包括：（1）上机架总负荷3000kN；（2）发电机定子重15000kN；（3）下机架（含所有转动部分）总负荷58000k

6、N；（4）发电机、水轮机层楼面活荷载分别为50kN/m2和20kN/m2；（5）结构各部分自重；（6）蜗壳内水压力（设计内水压力为1.395MPa，充水保压值为0.7MPa）。本计算主要荷载组合为：设备重量十结构自重十内水压力（即项荷载）。2.3 材料参数 (1)钢材：E=210GPa,=0.3，=78.5kN/m3,R=320MPa,y=1524。(2)混凝土：E=28.5GPa，=0.167，=24.5kN/m3,R1=1.55MPa，为偏于安全考虑，取=03 计算成果与分析  计算采用增量迭代法进行，首先施加设备荷载和结构自重，然后将内水压力分级加载。根据计算结果，分别整理了各级荷载下混凝土、钢衬和钢筋应力，见表1，表中应力点的位置见图4所示。4 结语  根据对三峡水电站充水保压蜗壳的有限元分析可知，进口段是整个蜗壳结构中比较薄弱的部位，表现为结构应力和变形均较大。非线性计算分析表明，在蜗壳进口断面处，虽然外围混凝土较薄，但在设计内水压力、结构自重和