河床式廠房機墩、風(fēng)罩有限元分析

魯禮慧　韓少玄

摘 要：文章介紹了用ANSYS有限元分析軟件對發(fā)電廠房機墩、風(fēng)罩進行計算分析，用實體單元模擬機墩、風(fēng)罩等大體積混凝土結(jié)構(gòu)，用殼單元模擬機墩導(dǎo)葉，驗證了機墩、風(fēng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，可以為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：河床式廠房；機墩風(fēng)罩；有限元；應(yīng)力分析

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0014-02

1 工程概況

機墩風(fēng)罩及定子制動器基礎(chǔ)是水電站廠房中的重要設(shè)計項目，為了分析其受力特性，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，本次分析采用有限元計算程序?qū)Πl(fā)電廠房一個機組的機墩、風(fēng)罩進行結(jié)構(gòu)分析。

該水電站為河床式廠房，裝機容量為183.2MW，布置有4臺水輪發(fā)電機組，單機容量為45.8MW，多年平均發(fā)電量為1062GW·h，年利用5800小時。

電站廠房機墩與風(fēng)罩均為現(xiàn)澆整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中風(fēng)罩上部與發(fā)電機層樓板整體連接，下端與機墩環(huán)向連接，是一薄壁圓筒式結(jié)構(gòu)。其外徑為15.5m，風(fēng)罩最小壁厚為0.45m，高度為3.29m。風(fēng)罩壁開有勵磁引出線洞、輔助引出線洞、中性點引出線洞等3個孔洞。機墩則位于蝸殼頂板上部，呈圓筒形，外徑為15.5m，壁厚達2.1m，高度為5.21m。機墩上開有水輪機端子箱進線孔、4個剛爬梯開孔、通風(fēng)孔、機坑進人孔、油管預(yù)留孔等8個孔洞。

風(fēng)罩、機墩及其下承蝸殼頂板，以及各層板梁構(gòu)成復(fù)雜的三維空間鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是廠房的重要結(jié)構(gòu)之一，必須滿足機組安裝、正常運行、短路飛逸時剛度和強度及檢修等要求。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析和配筋計算，是以結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和經(jīng)驗公式來定。即分別取機墩、定子與制動器基礎(chǔ)及風(fēng)罩為脫離體， 采用簡化力學(xué)模型用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行分析與計算， 但此種近似處理方法不能準確反映各部分之間的聯(lián)合承載機理。在本次分析中將風(fēng)罩與機墩作為整體混凝土結(jié)構(gòu)， 采用三維有限元計算模型， 基于線彈性理論， 進行了應(yīng)力分析。

2 計算模型

本項計算取蝸殼、機墩、風(fēng)罩作為計算模型，采用通用有限元計算軟件ANSYS，建立三維有限元模型。

有限元模型見圖1，取蝸殼底板以上到發(fā)電機層樓板范圍。在有限元網(wǎng)格剖分中主要采用了精度較高的六面體實體單元，在推力器孔洞附近采用了四面體單元。X方向為順水流方向，Y方向為垂直水流方向，Z向為豎直方向。蝸殼層底部、進水口墩墻及蝸殼頂板上游連接段、發(fā)電機層樓板四周為固定約束，其他位置自由。

3 材料參數(shù)及荷載

3.1 材料特性參數(shù)

混凝土：抗壓強度fc'=25MPa，彈性模量E=21019MPa，泊松比υ=0.167，重度γ=25.0kN/m3。

導(dǎo)葉鋼片：彈性模量E=210000MPa，泊松比υ=0.24，重度γ=78.5kN/m3。

鋼筋：ASTM A615，Gr60，fy=420MPa，E=210000MPa。

3.2 設(shè)計荷載組合及組合系數(shù)

根據(jù)EM1110-2-2104，設(shè)計荷載工況組合如下：

最大可信地震工況（MCE）：

U=0.75[1.0（D+L）+1.25E]

非地震工況：

U=1.7（D+L）

式中：U-設(shè)計荷載；D-恒載的內(nèi)力和力矩；L-活載的內(nèi)力和力矩；E-地震荷載的內(nèi)力和力矩。

根據(jù)機組運行情況，本次計算考慮5種工況，分別為：（1）額定運行；（2）單相短路；（3）半數(shù)磁極短路；（4）推力瓦燒瓦時；（5）地震（MCE）。各種工況均包含結(jié)構(gòu)自重，定子基礎(chǔ)荷載，下機架基礎(chǔ)荷載，發(fā)電機層樓板荷載，蝸殼內(nèi)水壓力，額定運行和推力瓦燒瓦工況要考慮接力器荷載，地震工況要考慮地震荷載。

3.3 荷載取值及荷載系數(shù)

3.3.1 定子及下機架基礎(chǔ)荷載

定子及下機架基礎(chǔ)荷載如表1所示，定子基礎(chǔ)個數(shù)為8個，下機架基礎(chǔ)個數(shù)為6個。動荷載的動力系數(shù)取1.5，已包含在荷載標準值中。徑向荷載及切向荷載，分解成整體坐標系下的X向及Y向荷載施加。

3.3.2 發(fā)電機層樓板荷載

發(fā)電機層樓板荷載取25kPa。

3.3.3 蝸殼內(nèi)水壓力

蝸殼內(nèi)水壓力根據(jù)其所在水位進行施加。蝸殼內(nèi)水壓力需要乘以水力系數(shù)1.3以及水錘放大系數(shù)1.25。

3.3.4 地震荷載

地震荷載按擬靜力法施加，考慮MCE地震工況：水平地震加速度為0.213g，豎向地震加速度為：2/3×0.213g=0.142g。

3.3.5 接力器荷載

正常運行工況及推力瓦燒瓦工況還需考慮大小為94t（0.94MN）的接力器荷載，兩個接力器位置處一個承受拉力，另一個承受壓力。接力器的圓形開孔直徑為1.52m，故接力器所受分布荷載為：

0.94×1.7÷（π/4×1.522）=0.881MN/m2

4 計算結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力計算結(jié)果

發(fā)電廠房機墩、風(fēng)罩應(yīng)力計算結(jié)果見表2，由于工況2施加的荷載及應(yīng)力結(jié)果較大，以工況2作為控制工況進行應(yīng)力分析。

4.2 壓應(yīng)力復(fù)核

由表2可見，各工況下的最大壓應(yīng)力均不超過混凝土的抗壓強度fc'=25MPa，因此整個機墩、風(fēng)罩結(jié)構(gòu)滿足抗壓強度要求。

4.3 抗彎配筋

選取結(jié)構(gòu)中拉應(yīng)力較大的截面，通過截面上的應(yīng)力路徑積分求得彎矩，再根據(jù)其中最大的彎矩進行配筋計算。

對于下機架基礎(chǔ)和定子基礎(chǔ)，拉應(yīng)力較大的區(qū)域均為底部內(nèi)側(cè)和頂部外側(cè)，故其內(nèi)側(cè)配筋根據(jù)底部彎矩進行，外側(cè)配筋根據(jù)頂部彎矩進行。根據(jù)構(gòu)造要求，需要在下機架基礎(chǔ)和定子基礎(chǔ)的加載基礎(chǔ)面配置徑向和環(huán)向鋼筋。

對于風(fēng)罩，由于發(fā)電機層豎向荷載的作用，風(fēng)罩內(nèi)側(cè)產(chǎn)生較大的豎向拉應(yīng)力，其他各向應(yīng)力水平較低。除豎向配筋外，其他按構(gòu)造要求即可滿足設(shè)計要求。

4.4 抗剪復(fù)核

除上述抗彎鋼筋，按構(gòu)造要求在機墩和風(fēng)罩內(nèi)設(shè)置拉結(jié)筋。剪應(yīng)力云圖如圖2所示。

5 結(jié)束語

三維空間有限元數(shù)值計算結(jié)果表明，此廠房機墩風(fēng)罩及定子基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，沒有出現(xiàn)過大的應(yīng)力。同時，需要通過配筋以增加整體結(jié)構(gòu)的強度和剛度，特別是局部開孔位置配筋要加強。本計算分析可為類似工程提供參考。

參考文獻：

[1]ACI 318， Building Code Requirements for Structural Concrete.

[2]USACE-EM-1110-2-2104， Strength design for reinforced-concrete hydraulic structures.

[3]EM1110-2-3001，Planning and Design of Hydroelectric Power Plants.endprint