万家寨水利枢纽全埋式金属蜗壳结构三维有限元分析

万家寨水利枢纽全埋式金属蜗壳结构三维有限元分析

1结构的实验与有限元分析壳和周边混凝土的结合结构是水库施工现场的重要结构。前人对于这种结构的实验与有限元分析研究已做过不少工作。由于蜗壳结构复杂,目前仍然有许多问题需要深入研究,尤其是大中型水电站蜗壳结构的研究更为突出。从蜗壳组合结构的设计情况来看,目前国内外的大中型水电站主要有以下3种型式。1.1钢蜗壳开放系统钢混凝土结构此类设计通常在钢蜗壳上半圆表面铺设弹性垫层,把钢蜗壳和外围混凝土分开,其内水压力完全由钢蜗壳承担,而外围混凝土结构只承受结构自重与上部设备传来的荷载。我国目前实行的《水电站厂房设计规范》(SD335—89)(试行)中规定了一般水电站蜗壳就采用这种结构型式。1.2钢蜗壳结构型式钢蜗壳安装后外围直接浇筑钢筋混凝土,钢蜗壳相当于钢衬,即钢衬钢筋混凝土结构。这种结构型式刚度大,安全性高。由于用钢筋替代了钢板受力,减小了钢蜗壳厚度,不仅缓解了钢蜗壳加工过程中的技术困难,而且获得经济上的效益。前苏联对这种蜗壳结构型式研究较多,并应用于萨扬舒申斯克等电站中。北欧一些国家和日本在高水头抽水蓄能电站中也采用过这种蜗壳结构型式。1.3部分联合承载结构型式在外围混凝土浇筑之前,对已安装好的钢蜗壳施加一定水头的内水压力进行充压(预压),并在充压状态下浇筑外围混凝土,待外围混凝土凝固后(例如稳压7d之后)撤除钢蜗壳内水压力。这样,在钢蜗壳和外围混凝土之间便形成一定间隙,机组运行时,当工作水头低于预压水头时,内水压力由钢蜗壳单独承担,当工作水头高于预压水头时,超过预压水头部分则由钢蜗壳和外围钢筋混凝土联合承担。。这就是所谓的部分联合承载结构型式。这种结构型式可减少外围钢筋混凝土所承受的内水压力,以减少其配筋量,增加机组的稳定性。对于高水头电站或机组容量较大的电站,采用这种结构型式较为合适。美国大古里电站、加拿大麦卡电站、委内瑞拉古里电站等均采用这种结构型式。我国近年兴建的广州抽水蓄能电站、十三陵抽水蓄能电站、潘家口抽水蓄能电站、二滩水电站等亦采用这种蜗壳结构型式。万家寨水电站采用设置垫层的蜗壳组合结构。本文重点研究了两个问题:①水电站带弹性垫层蜗壳组合结构的合理力学模型;②蜗壳钢衬与外围混凝土之间铺设弹性垫层的合理范围。2机组段蜗壳结构万家寨水电站装机6台。本文用1#～4#发电机组资料重点研究合理力学模型问题,用5#、6#机组资料重点研究弹性垫层的合理包角问题。计算范围取一个机组段蜗壳组合结构进行计算,底部假定固定在EL.887.70m尾水管肘管段顶面高程上,上部至机墩EL.904.412m,下游至厂房下游墙内侧,上游至蜗壳外围混凝土上游边界,两侧为机组间横缝。其中上部风罩、发电机层和电缆层楼板简化为静荷载,直接作用在EL.903.19m机墩上。机组段两侧横缝假定为自由边界(见图1),顶部EL.904.412m平面无任何约束。厂房上、下游边界,沿上、下游方向为法向约束。2.1组合承载模型1#～4#机组段取两种力学模型:①蜗壳内水压力—钢衬—垫层—外围混凝土—结构上部荷载及自重(简称组合承载模型);②蜗壳外围混凝土只承受结构自重和上部结构传来的荷载,内水压力全部由蜗壳钢衬承担(简称为规范模型)。5#、6#机组段力学模型同前述①,只是由于采用垫层包角及垫层厚度不同又分为3个模型,如表1。2.2磁极短路工况1#～4#机组及5#、6#机组的控制工况全为半数磁极短路工况,它们的荷载及其组合如表1。由于机组构造不同,根据研究分析目的共分为5个计算方案。2.3材料属性(1)混凝土E=2.6×104MPa;γ=25kN/m3;μ=1/6。(2)壳体螺钉E=2.06×105MPa;γ=78.5kN/m3;μ=0.3。(3)弹性涂层E=1.8MPa;γ=1.45kN/m3;μ=0.35。2.4u3000坐标系根据蜗壳组合结构特点,选用两种坐标系:①直角坐标系:坐标原点选在887.7m高程上,Y轴与机组中心线相一致,向上为正。Z轴与钢管中心线相平行,指向上游为正。X轴指向左方为正(如图2);②圆柱坐标系:取机组中心线为竖轴(即Y轴),r为计算点到竖轴距离,θ为通过计算点和竖轴半平面与YOZ平面夹角(YOZ平面θ=0°),以逆时针方向为正。组合结构各部分选用的坐标系如下:①引水钢管段采用直角坐标系;②蜗壳外包混凝土、钢衬、软垫层和座环部分(θ=270°至θ=-40°)采用圆柱坐标系;③两种坐标系断面搭接情况如图2。计算采用8～21节点六面体等参单元,整体结构共划分为2014个单元,2946个节点。3计算与分析3.1计算方法方案1在上部荷载、蜗壳内水压力及结构自重作用下,蜗壳外围混凝土中的径向正应力σr在蜗壳上部除蜗壳进口断面(θ=265°)有一定拉应力外,其余各断面都为压应力。这是由于蜗壳上半圆铺设了弹性垫层之故。在蜗壳下部由于没有铺设弹性垫层,在各断面σr都存在较大拉应力,其最大值为0.744MPa(θ=265°断面)。方案2由于没涉及蜗壳内水压力作用,使径向正应力σr在蜗壳上、下部及侧向基本上都为压应力。水流环向正应力σθ在方案1、2各断面基本上均为压应力。竖向正应力σy,在方案1、2的蜗壳上、下部及侧向均为压应力。由于方案2的力学模型没有考虑蜗壳内水压力向外围混凝土传递,而由蜗壳钢衬单独承担,致使方案2与方案1的竖向正应力σy在蜗壳侧向与底部有较大差异。计算点位置见图3,计算结果详见表2。由上述结果表明,即使在蜗壳钢衬上半圆铺设了弹性垫层,其蜗壳内水压力还是要传递到蜗壳外围混凝土中。所以在进行蜗壳组合结构应力分析时其力学模型一定要取作“蜗壳内水压力—蜗壳钢衬—垫层—外围混凝土—上部荷载及自重”联合作用,否则类似方案2(规范力学模型)那样,认为蜗壳上半圆铺设了弹性垫层,其内水压力完全由蜗壳承担,而其外围混凝土结构只承受结构自重和上部传来的荷载,其应力计算结果与实际情况差别较大。3.2蜗壳进口断面拉伸应力方案3、4、5力学模型均为“组合承载模型”,主要目的在于研究5#、6#机组段蜗壳外围混凝土应力情况。在上部荷载、蜗壳内水压力及结构自重作用下,3个方案的环向正应力σθ在各断面各高程点基本上都是压应力,只是在个别断面(Z=0.30m)有较小拉应力。3个方案的径向正应力σr分布规律是一致的。蜗壳底部正下方外围混凝土中σr均为受拉区,远离机组中心线一般变成受压区。在蜗壳上部σr除θ=265°蜗壳进口断面有较小拉应力外,其余各断面均为压应力。蜗壳外围混凝土中径向拉应力显然主要是由蜗壳内水压力造成的,由于在埚壳上半圆铺设了弹性垫层,使蜗壳内水压力传递到其外围混凝土中较小,只是在蜗壳进口断面有较小拉应力。而在蜗壳下部没有铺设弹性垫层,使其内水压力传递到蜗壳外围混凝土中较大,致使σr在蜗壳下部拉应力较大,方案3、4、5σr最大拉应力分别为0.735,0.755,0.774MPa。3个方案的竖向正应力σy分布规律基本上是一致的。蜗壳下部σy在大多数断面为压应力,个别断面σy在蜗壳下部两侧有一定拉力区。在蜗壳上部混凝土中3个方案的σy全为压应力。在蜗壳侧向3个方向的竖向正应力σy各断面全为拉应力,其最大值均发生在θ=265°蜗壳进口断面上,3个方案的σy最大拉应力分别为0.195,0.81,0.825MPa。在蜗壳侧向σy三个方案均产生拉应力,原因为蜗壳上部垫层包角较小,在侧向产生应力集中,尤其方案4、5其垫层包角仅为165°,表现更为突出。由于3个方案的蜗壳垫层铺设范围及厚度不同,其应力情况有明显差别。而蜗壳进口断面的应力状况更能代表各个方案的结构特点。3个方案的蜗壳进口断面σr及σy应力值见表3。4钢架的基础变形(1)对于水电站蜗壳钢衬与外围混凝土铺设弹性垫层的组合结构,在进行其结构应力分析时,其力学模型要取作“蜗壳内水压力—钢衬—弹性垫层—外围混凝土—上部荷载及自重”联合作用。否则类似《水电站厂房设计规范》规定那样,认为蜗壳上半圆铺设了弹性垫层,其内水压力完全由蜗壳承担,而外围混凝土结构只承受结构自重和上部传来的荷载,其应力计算结果与实际情况差别较大。(2)水电站蜗壳上半圆铺设弹性垫层的包角一般情况下要大于或等于180°,不可小于18