藏木水電站蝸殼墊層式與直埋式受力特征比較分析

2014-03-20 00:50:04馬玉巖龔少紅

水電站設(shè)計(jì) 2014年2期

馬玉巖,龔少紅，王蕊

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

目前，我國水電能源開發(fā)空前發(fā)展，一大批水電站正在設(shè)計(jì)和建設(shè)中，蝸殼結(jié)構(gòu)作為水電站廠房水下結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不僅要承受巨大的內(nèi)水壓力，還要承受上部機(jī)電設(shè)備和樓板等傳來的各種荷載。能否保證蝸殼結(jié)構(gòu)正常工作的安全性和耐久性直接關(guān)系到水電站能否長期正常運(yùn)行，能否發(fā)揮應(yīng)有的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

水電站蝸殼結(jié)構(gòu)型式主要有墊層蝸殼、充水保壓蝸殼、直埋式蝸殼(完全聯(lián)合承載蝸殼)等三種型式，它們各有特點(diǎn)，其中墊層蝸殼外圍混凝土受力較小、施工工序相對(duì)簡(jiǎn)單、工期較短，但對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性可能有一定影響；充水保壓蝸殼在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，蝸殼與外圍混凝土聯(lián)合受力，機(jī)組穩(wěn)定性好，但施工工序復(fù)雜、工期較長、造價(jià)高；直埋式蝸殼施工最簡(jiǎn)單，工期較短，但外圍混凝土受力較大，配筋較多，鋼筋施工較為困難，而且混凝土開裂范圍可能比前兩種型式更為嚴(yán)重[1-2]。

因三種蝸殼型式的上述特點(diǎn)，結(jié)合藏木水電站水頭不高，工期緊的實(shí)際情況，本文通過數(shù)值模擬方法，對(duì)其采用墊層蝸殼和直埋式蝸殼兩種方案的受力特征加以對(duì)比研究，以期為蝸殼埋設(shè)方式的合理選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況與基本數(shù)值模型

藏木水電站單機(jī)容量85MW，蝸殼進(jìn)口斷面直徑6.1m，HD值約為574m2。機(jī)組額定水頭53.5m，最大水頭67m，最小水頭44.30m，最大水錘升壓水頭約為94.2m。計(jì)算中，蝸殼內(nèi)水壓力按照最大水錘升壓水頭計(jì)算。

正常運(yùn)行工況下，發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層樓面無檢修設(shè)備，僅本機(jī)組機(jī)旁盤等少量固定設(shè)備，假定為均布活荷載，分別取為10kN/m2、5kN/m2。

進(jìn)口斷面蝸殼直徑最大、外包混凝土厚度最薄，為應(yīng)力分析時(shí)最不利的控制斷面，本次計(jì)算就采用進(jìn)口段包含一個(gè)完整固定導(dǎo)葉在內(nèi)的扇形區(qū)域作為其計(jì)算基本模型。需要說明的是，實(shí)際上，蝸殼斷面尺寸沿水流向是漸縮的，蝸殼外包混凝土厚度沿水流向也是變化的，這種近似處理與實(shí)際有一定的差別，但從計(jì)算結(jié)果來看，與整體全三維模型計(jì)算結(jié)果符合較好[3]，計(jì)算量顯著降低。

在計(jì)算范圍內(nèi)，對(duì)水輪機(jī)鋼鍋殼、座環(huán)以及外圍混凝土均按實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬。計(jì)算模型底部邊界及蝸殼外側(cè)混凝土邊界施加全約束，沿蝸線方向混凝土邊界施加法向約束，上部邊界為自由[4]。

整個(gè)模型由塊體單元模擬混凝土及上下環(huán)板，板殼單元模擬鋼蝸殼及固定導(dǎo)葉。蝸殼鋼板與外圍混凝土之間采用面-面接觸單元來模擬其接觸關(guān)系。計(jì)算荷載主要考慮結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)水壓力和由上部機(jī)墩傳遞的機(jī)組荷載等。計(jì)算模型的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

計(jì)算時(shí)考慮廠房施工和機(jī)組安裝的順序，第一步施加與水荷載無關(guān)的荷載，即廠房完建時(shí)的荷載，包括結(jié)構(gòu)自重、機(jī)組設(shè)備荷載和各樓層活載(簡(jiǎn)稱水荷載作用前)；第二步施加與水荷載有關(guān)的荷載：蝸殼內(nèi)水壓力、尾水管內(nèi)水壓力(簡(jiǎn)稱水荷載作用后)。

2 墊層型式計(jì)算方法與成果

為減輕鋼蝸殼在上過渡板處的應(yīng)力集中,在上過渡板附近一定范圍內(nèi)一般不設(shè)墊層。按照墊層上末端距機(jī)坑里襯3.0 m、下端至腰線下15°鋪設(shè)，墊層材料變形模量取2.5 MPa，泊松比0.05，墊層厚度30 mm計(jì)算。

單元分為座環(huán)、鋼蝸殼、墊層和混凝土四大組。鋼蝸殼、座環(huán)、機(jī)井里襯、尾水管里襯采用四結(jié)點(diǎn)平面板殼單元，個(gè)別過渡區(qū)域采用三結(jié)點(diǎn)板殼單元；墊層和外圍混凝土采用八結(jié)點(diǎn)三自由度六面體單元，個(gè)別區(qū)域采用三自由度四面體單元過渡。蝸殼和墊層及蝸殼與混凝土之間采用面—面接觸單元模擬其接觸關(guān)系[5]，摩擦系數(shù)取0.25。

整個(gè)計(jì)算模型共2 121個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 520個(gè)單元，其中座環(huán)26個(gè)單元，鋼蝸殼124個(gè)單元，接觸單元248個(gè)單元。座環(huán)、鋼蝸殼、墊層和整體模型單元見圖1。

圖1 FEM計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果顯示，墊層蝸殼應(yīng)力水平普遍較低，其中，鋼蝸殼Mises應(yīng)力最大值達(dá)到77.821MPa，座環(huán)Mises應(yīng)力最大值達(dá)到52.239MPa，絕大部分混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C25混凝土為1.78MPa)可滿足應(yīng)力要求，但座環(huán)蝶形邊外混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值較大。鋼蝸殼、座環(huán)和混凝土的應(yīng)力，分別見圖2～5。

圖2 鋼蝸殼Mises應(yīng)力(MPa) 圖3 座環(huán)Mises應(yīng)力(MPa)

圖4 混凝土第一主應(yīng)力(MPa) 圖5 混凝土第三主應(yīng)力(MPa)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整理了該斷面鋼蝸殼各特征點(diǎn)(位置見圖6)的環(huán)向應(yīng)力，根據(jù)公式1計(jì)算蝸殼外圍混凝土的承載比。計(jì)算顯示，設(shè)墊層的上半周混凝土承載比(39.29%)比下半周混凝土承載比(53.31%)小得多，即設(shè)墊層區(qū)域蝸殼與混凝土聯(lián)合承載程度小得多，有利于充分發(fā)揮鋼蝸殼的承載作用，計(jì)算結(jié)果見表2。

(1)

式中δ——典型斷面處鋼蝸殼厚度,mm；

r——典型斷面處鋼蝸殼半徑,mm；

σ0——鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力平均值,MPa；

p——鋼蝸殼設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力(含水擊壓力)，取0.942MPa。

圖6 蝸殼斷面特征點(diǎn)

部位鋼蝸殼應(yīng)力/MPa2/9點(diǎn)3/8點(diǎn)4/7點(diǎn)5點(diǎn)δ/mmδ?σ0蝸殼斷面半徑/mm混凝土承載比η/%上半周53.1354.7149.7338.11341 663.282 908.439.29下半周32.7238.3341.3238.11341 279.082 908.453.31

3 直埋式計(jì)算方法與成果

直埋式蝸殼在任何水頭下，鋼蝸殼與外圍混凝土始終結(jié)成整體，一起構(gòu)成主要承載構(gòu)件。從蝸殼承擔(dān)荷載(主要是蝸殼內(nèi)水壓力)的工作機(jī)理分析，直埋式蝸殼可以看成是墊層厚度為零的墊層蝸殼的一個(gè)特例[6]。

直埋式計(jì)算模型、邊界條件等均與墊層型式蝸殼模型相同，只是將墊層單元賦以混凝土的力學(xué)參數(shù)。

計(jì)算結(jié)果顯示，鋼蝸殼應(yīng)力水平較低，其Mises應(yīng)力最大值為27.814MPa，未能充分發(fā)揮其承載能力，座環(huán)Mises應(yīng)力最大值為27.691MPa，蝸殼外圍混凝土應(yīng)力分布較為均勻，但拉應(yīng)力數(shù)值很大，第一主應(yīng)力最大值為9.164MPa。鋼蝸殼、座環(huán)和混凝土的應(yīng)力分別見圖7～10。

圖7 鋼蝸殼Mises應(yīng)力(MPa)圖8 座環(huán)Mises應(yīng)力(MPa)

圖9 混凝土第一主應(yīng)力(MPa)圖10 混凝土第三主應(yīng)力(MPa)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，與墊層方案計(jì)算方法相同，整理了該斷面鋼蝸殼各特征點(diǎn)(位置見圖6)的環(huán)向應(yīng)力，根據(jù)公式1計(jì)算蝸殼外圍混凝土的承載比。計(jì)算顯示，上、下半周混凝土承載比較為接近，均為85%左右，鋼蝸殼作用未得到充分發(fā)揮，計(jì)算成果見表3。

表3 鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力和混凝土承載比

4 結(jié) 論

(1)相對(duì)于直埋方案，墊層方案具有可合理調(diào)整蝸殼各部分分擔(dān)內(nèi)水壓力的特點(diǎn)，設(shè)置墊層能顯著降低腰線部位內(nèi)外圈和設(shè)置墊層段混凝土內(nèi)圈等薄弱部位的環(huán)向拉應(yīng)力，對(duì)于混凝土與鋼蝸殼直接接觸的部位(不鋪設(shè)墊層部位)，其應(yīng)力有較大幅度的降低。

(2)直埋蝸殼外圍混凝土應(yīng)力分布較為均勻，但局部拉應(yīng)力數(shù)值很大，超過了混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，對(duì)混凝土抗裂和整體穩(wěn)定性不利，進(jìn)而影響到整個(gè)蝸殼結(jié)構(gòu)的剛度。

(3)兩種蝸殼型式的計(jì)算表明，鋼襯與座環(huán)蝶形邊連接處的應(yīng)力集中是不容忽視的。計(jì)算表明，由于蝸殼聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)座環(huán)蝶邊處的混凝土保護(hù)層相對(duì)薄弱，受應(yīng)力集中的影響，在內(nèi)水壓力作用下，在上、下蝶邊附近的蝸殼外圍混凝土應(yīng)力較大，因此須加強(qiáng)此部位的構(gòu)造鋼筋。

(4)對(duì)墊層蝸殼而言，設(shè)墊層的上半周混凝土承載比比下半周混凝土承載比小得多，即聯(lián)合承載程度小得多，有利于充分發(fā)揮鋼蝸殼的承載作用；直埋蝸殼使得外圍混凝土承擔(dān)內(nèi)壓高達(dá)85%左右，需要配置大量的鋼筋，而鋼蝸殼的作用沒有得到充分發(fā)揮。

(5)通過以上計(jì)算分析與比較，兩種蝸殼型式在技術(shù)上都是可行的，可以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和正常使用的要求。但是綜合比較而言，墊層蝸殼較好，因?yàn)橹甭裎仛づ浣盍看螅瑫r(shí)蝸殼外圍混凝土可能有較大范圍的開裂，降低結(jié)構(gòu)剛度和影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

(6)考慮到水電工程的復(fù)雜性，對(duì)具體工程的蝸殼型式的選擇還需考慮蝸殼組合結(jié)構(gòu)、溫度荷載以及廠房整體的動(dòng)力特性等。

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