廠壩連接形式對裂縫應力的影響分析

廠壩連接形式對裂縫應力的影響分析

0廠壩結構形式的優(yōu)化根據(jù)國內外水電工程建設經驗，水庫后壩通常設置溫度縫或下沉縫，使水庫和水庫的結構相對獨立，充分發(fā)揮張力，在壓力管道的間隙中調整膨脹節(jié)，適應兩側工廠結構的相對變形，提高壓力管道的張力狀態(tài)。當水處理廠配置為高產建筑物，工廠前的高流量結構形式或下游高流量彥縣時，考慮到一定程度的廠水庫聯(lián)合作用，解決了結構配置和穩(wěn)定性問題。然而,隨著全世界水電建設的發(fā)展,一方面壩址地質等的工程條件越來越復雜,使分縫的廠壩結構不能簡單地按獨立結構分析,并且如不利用合理的廠壩連接形式,廠壩結構的穩(wěn)定性等將難以達到要求,從而加大混凝土方量,增加了工程造價;另一方面由于水電站引水壓力鋼管趨于巨型化,取消廠壩間常規(guī)伸縮節(jié)成為過縫管道結構形式的一個主要發(fā)展方向,優(yōu)化適合一定的過縫管道結構形式的廠壩連接形式也是發(fā)展所趨。以往關于水電站廠壩連接形式的研究主要分為兩個方向:一是為了解決在高尾水壓力下電站廠房的穩(wěn)定性問題,研究合適的廠壩連接形式,考慮廠壩間的相互傳力,從而提高廠房和壩體各自的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);二是與水電站壓力鋼管過縫結構形式的優(yōu)化聯(lián)系起來,通過選擇合適的廠壩連接形式,來改善過縫處壓力鋼管的受力狀態(tài),從而為取消常規(guī)的伸縮節(jié)創(chuàng)造有利條件。對于壩后式電站,廠壩連接形式與壓力鋼管的過縫結構形式是兩個相互聯(lián)系、相互影響的問題。取消常規(guī)伸縮節(jié)已經成為水電站巨型壓力鋼管的發(fā)展趨勢,在研究取消伸縮節(jié)的可行性,以及對替代常規(guī)伸縮節(jié)的過縫管道結構進行優(yōu)化時,將廠壩連接形式與壓力鋼管過縫結構形式的兩者聯(lián)系起來考慮是必要的,也是很有意義的。本文結合某水電站工程的實際情況,采用三維有限元法,在取消伸縮節(jié)、采用外包軟墊層的伸縮管過縫的前提下,對廠壩連接形式進行了優(yōu)化研究。1水氣象及水溫該水電站樞紐由攔河壩、泄洪沖沙建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成,攔河壩為碾壓混凝土重力壩,最大壩高114.00m。電站為壩后式電站,共裝機5臺,單機容量350MW,總容量1750MW。機組水輪機鋼蝸殼進口直徑11.20m,引水壓力鋼管直徑11.20m,鋼管下平段壁厚為36mm。水庫正常蓄水位時蝸殼中心最大靜水壓水頭為70.80m,蝸殼進口斷面處的最大水擊壓力水頭為21.2m。水庫上游正常蓄水位602.00m,相應尾水位540.23m。壩址處的氣溫和水溫資料見表1。電站廠房多年平均室溫為20℃,最高月平均室溫為33℃,最低月平均室溫為8℃。壩址區(qū)地溫常年為22℃。2廠壩分縫結構設計方案本文以該水電站一個標準機組段以及相應的廠房壩段為例,建立包括大壩、電站廠房、壓力鋼管、蝸殼、尾水管以及基巖等在內的三維有限元整體結構模型,較精確地模擬出壩體混凝土、進水口、壓力鋼管、鋼管外包混凝土、廠房發(fā)電機層以下的混凝土結構及開孔、鋼蝸殼、廠壩分縫等關鍵部位的實際結構,采用接觸單元來模擬廠房與壩體混凝土之間的相互作用?？偣财史謫卧獢?shù)70006個,結點數(shù)52733個,有限元模型如圖1和圖2所示。有限元模型以伸縮管過縫方案(取消伸縮節(jié),壓力管道外包軟墊層)為基礎,伸縮管長8m,墊層材料的變形模量為3.75MPa,墊層厚10mm。根據(jù)廠壩分縫處不同的廠壩連接形式,選取了五種結構方案,具體如下:方案1,為廠壩完全分縫方案,廠壩間完全分縫至基巖(高程498.0m),廠壩間混凝土結構不相互傳力;方案2,為上分下連、下部平縫灌漿方案,壓力鋼管底部(高程521.6m)以上完全分縫,以下采用平縫灌漿的連接形式,廠壩間平縫灌漿的連接處僅傳遞法向推力,不能傳遞剪力和拉力;方案3,亦為上分下連、下部平縫灌漿方案,但平縫灌漿的接縫高度與方案2不一樣,即廠房水輪機層(高程538.0m)以上完全分縫,以下平縫灌漿;方案4,為上分下連、下部整體連接方案,壓力鋼管底部(高程521.6m)以上完全分縫,以下采用整體連接形式,廠壩間預設鍵槽、并進行接縫灌漿,整體連接處可以傳遞法向推力和剪力,但并不能傳遞拉力;方案5,為上分下連、下部整體連接方案,廠房水輪機層(高程538.0m)以下至基巖采用整體連接形式,連接處設鍵槽、并接縫灌漿。計算荷載包括大壩上游庫水壓力、廠房下游尾水壓力,引水系統(tǒng)內水壓力,廠壩自重、機組及其它設備自重、基礎揚壓力等固定荷載,以及溫度荷載。其中溫度荷載按穩(wěn)態(tài)溫度場計算:先以過縫鋼管最后一道預留環(huán)縫合攏時的環(huán)境溫度(包括氣溫、水溫、室溫及地溫)為邊界條件(此時壓力鋼管內按合攏月份的平均氣溫考慮),計算得到相應的溫度場作為基準溫度場,假定此時鋼管為零應力狀態(tài);再分別以最冷月份和最熱月份的多年月平均環(huán)境溫度為邊界條件(此時壓力鋼管內按進水口中心處的庫水溫度考慮),計算得到最低溫度場和最高溫度場;然后,用最低溫度場和最高溫度場分別減去基準溫度場,即得到結構的最大溫降荷載和最大溫升荷載。3工廠水庫連接形式優(yōu)化3.1廠壩間分縫對應力集中的影響計算結果表明:除了結構方案1以外,方案2~方案5中廠房內的順河向位移分布規(guī)律亦基本一致,基本表現(xiàn)為隨高程增加而增大的向下游平移變位,不同的結構方案中僅在位移的量值上有不同。在方案2~方案5這四個結構方案中,廠壩間相互傳力的連接高程均在廠壩水輪機層以下,不同的廠壩連接形式對廠房內鋼蝸殼外包混凝土、機墩以及水輪機層以上的風罩等上部結構的位移分布規(guī)律影響不大。結構方案1中廠房內的順河向位移分布規(guī)律與其他方案的不同,主要原因是由于方案1中采用完全分縫的廠壩連接形式,廠房與壩體混凝土之間不相互傳力,而僅僅通過廠壩間連續(xù)過縫的壓力鋼管傳遞一定的推力,因而,廠房內表現(xiàn)為蝸殼進口一側混凝土向下游的位移要大于廠房右側(面向下游)。在不同的廠壩連接形式下,壩踵和壩趾處的鉛直正應力和順河向剪應力見表2。從表2可以看出,相對于方案1來說,方案2~方案5由于廠壩間的相互傳力,限制了壩體向下游的傾斜變形,因此,壩踵處的鉛直壓應力增大,而壩趾處的壓應力減小。同時,廠壩間的聯(lián)合作用也減小了壩體向下游的水平位移,所以壩踵和壩趾處的順河向剪應力都相應減小?？傮w來說,除了廠壩間完全分縫的廠壩連接形式外,無論是平縫灌漿還是設鍵槽灌漿的廠壩連接形式對壩體的應力狀態(tài)影響都不大。此外,廠壩間采用考慮聯(lián)合作用的連接形式后,雖然廠房結構的絕對變位相對完全分縫形式有一定的增加,但不同的廠壩連接形式下,廠房的總體應力分布規(guī)律基本相同。廠壩聯(lián)合作用后,由于連接高程在水輪機層以下,分縫兩側相互作用的均為大體積的混凝土結構,因而對鋼蝸殼及廠房混凝土結構的應力狀態(tài)影響不大。雖然采用不同的廠壩連接形式對壩體和廠房結構的總體應力狀態(tài)影響不大,但是,對于廠壩分縫局部受力影響明顯。在采用完全分縫連接形式下,廠壩分縫底部的應力集中現(xiàn)象非常嚴重,在角點處的主拉應力峰值均較大,而廠壩間采用了整體連接形式后,分縫底部混凝土結構的受力得到明顯的改善,方案4和方案5的計算結果表明,分縫處原來應力集中部位的第一主應力峰值分別減小到-0.06MPa和-0.07MPa,第三主應力峰值分別降為-8.19MPa和-8.89MPa。分析計算結果表明,若廠壩間完全分縫,在過縫伸縮管的始端和末端的外包混凝土局部也出現(xiàn)明顯的應力集中,而采用平縫灌漿或整體連接形式后,對該部位的應力集中有明顯改善。實踐經驗還表明,在實際工程中,通過使伸縮管始、末兩端的墊層材料厚度漸變?yōu)榱愕氖┕ご胧?也能夠較好地改善該部位的應力集中問題。3.2伸縮縫的相對位移對比方案1、方案2和方案3的相對位移結果可以發(fā)現(xiàn),相對完全分縫,廠壩間采用平縫灌漿的連接形式,廠壩間僅傳遞推力、不傳剪力和拉力,因此對伸縮管兩端的橫河向及鉛直向相對位移影響不大;但對伸縮管兩端的軸向相對位移影響明顯,廠壩間采用平縫灌漿的連接形式明顯減小了伸縮管兩端的軸向相對壓縮變位,在基本荷載作用下,方案3中伸縮管兩端的軸向相對位移值減小到僅為方案1的5%。計算結果還表明,平縫灌漿的連接高程越高,伸縮管兩端的軸向相對位移越小。對比方案1、方案4和方案5的相對位移可看出,相對完全分縫,廠壩間采用整體連接的連接形式,伸縮管兩端的各向相對位移均有降低。整體連接形式使得伸縮管兩端的軸向相對位移減小的幅度與平縫灌漿基本相同,但由于廠壩間可以傳遞剪應力,所以其對橫河向與鉛直向相對位移有較明顯的降低。3.3縮縮機裝置的過縫結構形式對應力的影響表3列出了不同荷載組合作用下,伸縮管段的分縫處鋼管截面內的最大軸向應力,環(huán)向應力和等效應力值。結構方案1,廠壩間完全分縫,計算結果表明,在固定荷載作用下,伸縮管的最大等效應力達到290.5MPa,已較大地超過鋼材的抗力限值。這主要是由于在固定荷載,尤其是上游庫水壓力作用下,廠壩分縫兩側出現(xiàn)較大的相互靠攏的相對位移,而廠壩間僅通過伸縮管相互傳力,從而在伸縮管內產生了很大的軸向壓應力,即而出現(xiàn)較大的等效應力?？梢?取消常規(guī)的伸縮節(jié)結構后,若簡單地采用外包軟墊層的伸縮管替代常規(guī)伸縮節(jié),則無法滿足鋼管的強度設計要求。這也說明了壓力鋼管的過縫結構形式與廠壩連接形式是相互聯(lián)系、相互影響的,在研究取消伸縮節(jié)、優(yōu)化壓力鋼管過縫結構形式的同時,對廠壩連接形式進行優(yōu)化是十分必要的。不同的廠壩連接形式對伸縮管的環(huán)向應力的影響較小,對軸向應力和等效應力的影響較大。廠壩間采用相互傳力的連接形式后,能夠較大程度地降低伸縮管的軸向壓應力,因而有利于改善伸縮管的受力狀態(tài)。廠壩間考慮傳力的連接高程越高,則伸縮管的最大等效應力越低;而對于相同的連接高程來說,能夠同時傳遞推力和剪力的整體連接形式比平縫灌漿對伸縮管的受力更有利。從表3的應力結果可以看出,結構方案5廠壩間采用整體連接形式,連接高程達到廠房水輪機層(高程538.2m),由于連接處廠壩聯(lián)合受力,極大地減小了廠壩間的相對變形,在固定荷載作用下,伸縮管的最大等效應力不到60MPa,僅為完全分縫方案的20%。4工業(yè)鋼管受力分析(1)在廠壩間完全分縫的連接形式下,伸縮管的等效應力較大地超過了相應鋼材的抗力限值,因此對伸縮管過縫時的廠壩連接形式進行優(yōu)化是必要的。研究表明,取消廠壩間的鋼管伸縮節(jié)后,壓力鋼管在廠壩分縫處