充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)保壓值方案比選,水工結(jié)構(gòu)論文

充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)保壓值方案比選,水工結(jié)構(gòu)論文摘要：以有限元軟件Abaqus為分析平臺,對某抽水蓄能電站充水保壓蝸殼構(gòu)造,建立了三維有限元模型,分析其在不同保壓值下的鋼襯應(yīng)力、外圍混凝土應(yīng)力、鋼蝸殼與混凝土之間的縫隙值、混凝土承載比及其損傷方面的情況.結(jié)果表示清楚:選用較高的保壓水頭可有效降低外圍混凝土的承載比,混凝土損傷帶明顯減小,鋼襯的材料性能也得到了充分發(fā)揮.但是當(dāng)保壓值過高時,蝸殼與混凝土則處于脫開狀態(tài),考慮到蝸殼自振的特性,過高保壓值對機組穩(wěn)定性不利.通過5種保壓值方案的比擬,選取保壓值為5.73MPa,即最大靜水頭的0.8倍較為合理,結(jié)論可為類似工程設(shè)計提供參考.本文關(guān)鍵詞語：保壓蝸殼;保壓值;抽水蓄能電站;有限元;Abstract：BasedonthefiniteelementsoftwareAbaqus,athree-dimensionalfiniteelementmodelisestablishedforthepreloadingfillingspiralcaseofapumpedstoragepowerstation.Thestressofsteelliner,surroundingconcrete,gapvaluebetweensteelspiralcaseandconcrete,bearingratioanddamageofconcreteareanalyzedunderdifferentpreloadingwaterhead.Theresultsshowthathigherpreloadingwaterheadcaneffectivelyreducethebearingratioanddamagezoneofconcrete,andthematerialpropertiesofsteellinerhavebeengivenfullplay.However,whenthepreloadingwaterheadistoohigh,thespiralcaseandconcreteareinthestateofdetachment.Consideringthenaturalvibrationcharacteristicsofspiralcase,toohighpreloadingwaterheadisunfavorabletounitstability.Throughthecomparisonoffivekindsofpreloadingwaterhead,soselect5.73MPa,thats0.8timesofthemaximumstaticwaterhead.Theconclusioncanbeusedasareferenceforsimilarengineeringdesign.Keyword：preloadingspiralcase;preloadingwaterhead;pumpedstoragepowerstation;finiteelement;當(dāng)前,高HD值的蝸殼構(gòu)造型式主要有下面幾種[1,2]:在鋼蝸殼外鋪設(shè)軟墊層后澆筑外圍混凝土,即墊層蝸殼;鋼蝸殼在充水保壓狀態(tài)下澆筑外圍混凝土,即保壓蝸殼;鋼蝸殼外直接澆筑混凝土,既不鋪設(shè)墊層也不充水保壓,即直埋蝸殼.充水保壓蝸殼相較于墊層蝸殼,鋼襯及外圍混凝土受力愈加均勻,運行時,鋼蝸殼能緊貼外圍混凝土,增加蝸殼機組的剛性,利于機組的穩(wěn)定運行;相較于直埋蝸殼,通過保壓水頭能夠調(diào)節(jié)鋼蝸殼的承載比,利于鋼襯充分發(fā)揮材料特性,改善混凝土受力特征,使構(gòu)造的受力分配愈加合理,因而在實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用.充水保壓蝸殼能夠通過保壓值來分配外圍混凝土對于內(nèi)水壓力的分擔(dān)比例,因而,保壓值的合理設(shè)置很關(guān)鍵.一方面,假如保壓值較高,則鋼襯充水加壓后的徑向變形就會增大,保壓縫隙隨之也就變大.在機組運行時,若運行水頭低于保壓水頭,則鋼襯的徑向變形難于使保壓縫隙完全閉合,鋼襯與外圍混凝土的脫開,將會帶來鋼蝸殼的自振頻率與機組自振頻率接近,進(jìn)而引起機組共振的風(fēng)險,導(dǎo)致機組振動過大,影響機組的安全穩(wěn)定運行;另一方面,假如保壓值過低,則蝸殼鋼襯材料強度沒有得到充分發(fā)揮,此時外圍鋼筋混凝土構(gòu)造變成了承當(dāng)內(nèi)水壓力的主體,進(jìn)而導(dǎo)致混凝土構(gòu)造產(chǎn)生損傷裂縫,同時鋼筋用量將增加,造成經(jīng)濟(jì)上的浪費[3,4,5].因而,合理選取充水保壓水頭特別重要.根據(jù)國內(nèi)外己建工程實踐,蝸殼充水保壓壓力,一般控制在0.5~1.0倍最大靜水頭.規(guī)范[6]建議控制在機組最大靜水頭的0.6~0.8倍.綜上所述,充水保壓蝸殼構(gòu)造保壓水頭值的選取原則為:在保證蝸殼與外圍混凝土聯(lián)合承載、機組剛度知足要求的前提下,盡量提高保壓水頭,進(jìn)而減小外圍混凝土對于內(nèi)水壓力的分擔(dān)比例,改善混凝土的應(yīng)力水平,降低混凝土的配筋量,到達(dá)既要保證構(gòu)造安全運行,又要充分發(fā)揮材料強度,知足經(jīng)濟(jì)性要求的目的.1計算方案1.1計算模型及材料參數(shù)蝸殼有限元模型如此圖1所示,計算模型采用笛卡爾直角標(biāo)系,X軸為水平方向,沿廠房縱軸指向右側(cè)為正(面向下游);Y軸為水平方向,指向下游為正;Z軸為鉛直方向,向上為正.坐標(biāo)零點位于發(fā)電機層268m高程與機組軸線相交處.計算范圍:模型上部取到水輪機層底部,高程為256.3m,下部取至進(jìn)人孔頂部,高程為250.5m;兩側(cè)取至機組段永久分縫處;水流方向自機組中軸線向上游取7.9m,向下游取9.3m,整個鋼蝸殼由內(nèi)徑逐步變化的多段鋼管組成,直線段斷面內(nèi)徑為2000mm,直至蝸殼段最末端管節(jié)內(nèi)徑減小為751.4mm.各管節(jié)鋼管厚度也逐步變化,直線段厚度最大為50mm.蝸殼采用殼單元,有限元模型共15993個單元,22938個節(jié)點.邊界條件:平面模型底邊固定約束,其余根據(jù)自由邊界處理.各材料物理參數(shù)見表1.圖1蝸殼有限元模型表1材料物理參數(shù)1.2荷載組合為了分析蝸殼采用不同保壓水頭時的受力特點,結(jié)合(水電站廠房設(shè)計規(guī)范〕中的要求,分別選取保壓水頭為機組最大靜水頭的0.5、0.6、0.7、0.8及0.9倍,即保壓值3.58MPa、4.30MPa、5.01MPa、5.73MPa及6.45MPa進(jìn)行計算.計算荷載包括:1)內(nèi)水壓力:最大靜水壓力為7.14MPa,最大內(nèi)水壓力9.81MPa;2)構(gòu)造自重:混凝土容重25kN/m3,鋼襯、座環(huán)容重78kN/m3;3)集中荷載:機組主要設(shè)備荷載;4)均布荷載:各層樓板活載,20kN/m2.計算采用仿真算法,詳細(xì)經(jīng)過為:首先殺死外圍二期混凝土,采用混凝土支墩、鋼襯及座環(huán)部分有限元模型,計算鋼襯單獨承受保壓水頭時的變形,輸出鋼襯變形后的節(jié)點坐標(biāo),激活外圍混凝土,并用上述坐標(biāo)修正相應(yīng)的外圍混凝土節(jié)點坐標(biāo),卸載保壓水頭構(gòu)成保壓縫隙,然后對整個模型分4步進(jìn)行計算:1)設(shè)置混凝土與鋼襯之間的接觸關(guān)系;2)施加重力;3)分步加載水頭至正常運行水頭;4)施加集中荷載與均布荷載.2計算結(jié)果分析2.1鋼襯的應(yīng)力選取B-B典型截面,如此圖2所示.計算得出5種保壓水頭方案下的鋼襯特征點第一主應(yīng)力值見表2.由表2可知,各預(yù)壓水頭方案的鋼襯應(yīng)力分布規(guī)律基本一致,頂部應(yīng)力值最大,底部次之,腰部應(yīng)力值最小.隨著預(yù)壓水頭的增加,鋼襯的應(yīng)力基本呈現(xiàn)增大的趨勢,但增長幅度逐步減緩.這是由于,隨著保壓水頭的提高,鋼襯與外圍混凝土聯(lián)合受力的臨界水頭越來越大,鋼襯分擔(dān)內(nèi)水壓力的比例越來越高,最終施加在各模型上的總內(nèi)水壓力值一致.但此時,外圍混凝土分配到的內(nèi)水壓力越來越少,鋼襯應(yīng)力隨即增加.由于混凝土材料的非線性,鋼襯應(yīng)力的增長幅度也在隨保壓水頭的增大而改變.當(dāng)預(yù)壓水頭為3.58MPa、4.30MPa、5.01MPa、5.73MPa及6.45MPa時,鋼襯的最大應(yīng)力分別為鋼襯允許應(yīng)力360MPa的53.3%、54.4%、55.0%、55.0%及55.3%,遠(yuǎn)低于鋼襯的允許應(yīng)力.這講明,鋼襯的強度仍有很大的發(fā)揮余量,在知足其他要求的條件下,宜選取較大的保壓水頭,可利于鋼襯材料性能的發(fā)揮.圖2斷面及特征點位置示意圖表2不同保壓水頭下蝸殼鋼襯特征點第一主應(yīng)力(單位:MPa)2.2外圍混凝土應(yīng)力蝸殼外圍混凝土特征點第一主應(yīng)力值見表3.表3蝸殼外圍混凝土特征點第一主應(yīng)力值(單位:MPa)混凝土的應(yīng)力分布規(guī)律大致一樣,蝸殼內(nèi)側(cè)應(yīng)力值較大,外側(cè)應(yīng)力值較小;華而不實頂部、底部內(nèi)側(cè)應(yīng)力值較大,腰部內(nèi)側(cè)應(yīng)力值較小;保壓水頭為3.58MPa、4.30MPa及5.01MPa的方案,頂部、底部內(nèi)側(cè)應(yīng)力值均超過混凝土抗拉強度設(shè)計值1.43MPa.隨著保壓水頭的增大,蝸殼外圍混凝土的應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域分布顯著減小,最大應(yīng)力值呈現(xiàn)減小趨勢,這與鋼襯應(yīng)力值的增大相對應(yīng),鋼襯與混凝土承當(dāng)內(nèi)水壓力的比例也隨之增大.2.3保壓縫隙值分析蝸殼與外圍混凝土的貼合狀態(tài)能夠直接判定出保壓值的合理性.施工結(jié)束后,由于混凝土徐變、施工縫、蝸殼溫降等影響,在混凝土與蝸殼之間會構(gòu)成初始縫隙1,因保壓水頭產(chǎn)生的初始縫隙為2,在機組運行時由水壓力作用而產(chǎn)生的徑向變形為3.因此能確定蝸殼與混凝土之間的縫隙=1+2-3.當(dāng)0時,表示清楚鋼蝸殼與混凝土處于完全貼合狀態(tài),0時,表示清楚保壓值過高,鋼蝸殼與混凝土處于脫開狀態(tài).蝸殼外圍混凝土縫隙開度值見表4.當(dāng)保壓值取6.45MPa時,縫隙值為0.15mm,表示清楚此時蝸殼與混凝土處于脫開狀態(tài),考慮到蝸殼自振的特性,過高保壓值對機組穩(wěn)定性不利;當(dāng)保壓值為3.58、4.30、5.01時,均小于零,表示清楚蝸殼與混凝土處于貼合狀態(tài),但是這3種保壓值方案下的混凝土應(yīng)力值均超標(biāo).當(dāng)保壓值為5.73MPa時,縫隙值為-0.12mm,蝸殼與混凝土貼合,且混凝土各處的應(yīng)力均在設(shè)計抗拉強度范圍內(nèi),鋼襯的材料也得到了充分的發(fā)揮,因而,綜合各方面因素,選取保壓值為5.73MPa,即最大靜水頭的0.8倍較為合理.表4蝸殼外圍混凝土縫隙開度值(單位:mm)2.4混凝土損傷分析不同保壓水頭下,蝸殼外圍混凝土損傷情況如此圖3所示.圖3不同保壓水頭蝸殼外圍混凝土損傷情況能夠看出:隨著保壓水頭的增大,損傷區(qū)域分布逐步減小.保壓值為3.58MPa時,有多條損傷帶分布在蝸殼鋼襯附近,華而不實蝸殼頂部與腰部附近有較大損傷帶,損傷帶最深達(dá)1.8m.而當(dāng)保壓值為6.57MPa時,只要上下蝶邊處有微小部分的損傷區(qū);由此可知,保壓水頭的合理選取能夠顯著緩解外圍混凝土的應(yīng)力分布狀態(tài),減少配筋量.在選取適宜的保壓值后,仍出現(xiàn)混凝土損傷的部分,需要采用其它措施予以加固.2.5混凝土的承載比由鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力的平均值0,能夠初步算出外圍混凝土的承載比:式中,為典型斷面處鋼蝸殼厚度,本例為50mm;r為典型斷面處鋼蝸殼半徑,本例為1000mm;0為鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力平均值,此處為剩余水頭作用下的鋼襯應(yīng)力;pb為蝸殼充水保壓值;p為蝸殼設(shè)計內(nèi)水壓力值,本例為7.14MPa.不同保壓水頭時外圍混凝土的承載比見表5.表5不同保壓水頭時外圍混凝土的承載比從表5能夠看出,隨著保壓水頭的提高,混凝土的承載比逐步下降,當(dāng)保壓水頭為設(shè)計內(nèi)水壓力的90%時,混凝土的承載比只要6.79%.因而,提高保壓水頭,可有效降低混凝土的承載比,改善外圍混凝土的應(yīng)力分布.3結(jié)束語采用仿真計算方式方法,對不同的保壓水頭方案進(jìn)行計算分析,能夠得出下面結(jié)論:1)提高保壓水頭,能夠有效降低外圍混凝土的承載比,當(dāng)保壓水頭為最大靜水頭的0.9倍時,混凝土的承載比只要6.79%,鋼襯最大應(yīng)力只要許用應(yīng)力的55.3%,可見鋼襯的強度仍有較大的發(fā)揮余量.為充分發(fā)揮鋼襯的材料性能,宜選用較高的保壓水頭.2)提高保壓水頭,能夠增大鋼襯與外圍混凝土之間的初始縫隙大小,進(jìn)而推延外圍混凝土與鋼襯的聯(lián)合承載,改善蝸殼外圍混凝土受力狀態(tài).當(dāng)保壓值小于5.73MPa時,縫隙值均為負(fù)值,但保壓值過小導(dǎo)致外圍混凝土所受的應(yīng)力增大,塑性損傷隨之加大;當(dāng)保壓值等于5.73MPa時,蝸殼與混凝土貼合嚴(yán)密,不易產(chǎn)生共振,利于機組穩(wěn)定,且混凝土各處的應(yīng)力均在設(shè)計抗拉強度范圍內(nèi),鋼襯的材料也得到了充分的發(fā)揮;當(dāng)保壓值為6.45MPa時,縫隙值為0.15mm,蝸殼與混凝土處于脫開狀態(tài),由于蝸殼自振特性的影響,過高保壓值對機組穩(wěn)定性不利;綜合上述結(jié)論,建議選取保壓值為5.73MPa,即最大靜水頭的0.8倍.以下為參考文獻(xiàn)：[1]伍鶴皋,馬善定,秦繼章.大型水電站蝸殼構(gòu)造設(shè)計理論與工程實踐[M].北京:科學(xué)出版社,2018.[2]郭濤,張立翔,武亮.水電站充水保壓蝸殼構(gòu)