水电站蜗壳垫层结构研究

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1、水利学报2003年06月SHUILIXUEBAO第6期文章编号：0559-9350（2003）06-0085-05水电站蜗壳垫层结构研究111付洪霞，马震岳，董毓新(1.大连理工大学土木水利学院，辽宁大连116024)摘要：应用三维非线性有限元研究了水电站蜗壳垫层的弹性模量、厚度和铺设范围对承载比的影响。为减轻钢蜗壳在上蝶边处的应力集中，提出在蝶形边附近一定范围内不设垫层。如果垫层铺到180°，则恰好该处外包混凝土较薄，易产生混凝土贯穿裂缝，若将垫层下延20°～30°，则该处外包混凝土变厚，可改善垫层末端混凝土受力状态。建议将垫层的厚度与弹模之比作为垫层设计的一个参考指标，并给

2、出厚度与弹模的优化比值，可适用于一定PD值范围的蜗壳，供工程设计参考。关键词：蜗壳；垫层；弹性模量；承载比中图分类号：TV732.4文献标识码：A[1]目前，国内外大型水电站钢蜗壳结构设计形式主要有三种：（1）钢蜗壳外直接浇筑混凝土，既不设垫层也不充水预压；（2）钢蜗壳在充水预压状态下浇筑外围混凝土；（3）钢蜗壳上部一定范围内铺设垫层后浇筑外围混凝土。我国已建、在建和设计中的水电站蜗壳，许多采用了第三种结构形式。这种形式的优点在于，可以减少钢蜗壳向外围钢筋混凝土结构传递的内水压力，充分发挥钢衬的承载力，改善蜗壳外围混凝土的应力状态，提高其抗裂安全度。但在工程应用和计算分析中还存

3、在如下问题：（1）以往的有[2]限元计算一般仅取控制断面附近局部范围的蜗壳结构进行分析，而实际上沿蜗壳环向存在着较大的应力，[3]整体受力状况明显，因此对蜗壳结构进行整体分析更能反映工程的实际情况；（2）垫层材料的试验表明，[4]垫层为非线性材料，而近似地将其简化为线弹性模型显然与实际不符；（3）垫层的选取由于受到弹性模量、厚度、铺设范围的综合影响，设计中没有一种定量的标准来衡量。本文利用ANSYS结构分析程序对水电站蜗壳进行整体三维非线性有限元分析，探讨了垫层弹性模量、厚度及铺设范围对承载比的影响，并提出以厚度与弹模比作为参数指标，为工程设计优化提供参考。1非线性分析方法采用

4、ANSYS有限元程序，其基本假定为：①在高斯积分点处，裂缝允许在3个正交方向产生；②混凝土假定为各向同性材料；③混凝土考虑塑性开裂。其中混凝土采用应变强化塑性模型，钢筋采用分布模型，混凝士裂缝利用分布裂缝模型来模拟。采用DruckerPrager强度准则研究多轴应力状态下的混凝土强度问题，其表达式为F−S≥0（1）fc式中：F为主应力σxp、σyp、σzp的函数；S为主应力状态和混凝土强度所表达的混凝土破坏曲面；fc为混凝土单轴抗压强度。当混凝土应力超出抗拉强度时，混凝土开裂，应力由钢筋承担。收稿日期：2002-05-09作者简介：付洪霞(1976-)，女，山东招远人，博士研究

5、生，主要研究方向：水电站建筑物结构分析。85水利学报2003年06月SHUILIXUEBAO第6期2计算条件以某水电站蜗壳结构为例进行研究。蜗壳入口断面直径4.2m，钢板厚度32mm，末端处厚度20mm，弹534性模量E=2.1×10MPa，泊松比μ=0.3，比重ρ=78kN/m。外围混凝土弹性模量E=2.55×10MPa，泊松比μ3=0.167，比重ρ=25kN/m。作用荷载包括：结构自重、机墩及以上结构和设备重量、蜗壳内水压力1.17MPa。取整体蜗壳为研究对象，考虑混凝土和垫层的非线性特性，外围钢筋混凝土采用钢筋混凝土单元。3计算结果3.1垫层弹模对承载比的影响为了比较不

6、同弹性模量的垫层材料对承载比的影响，取垫层厚度5cm，钢蜗壳上半圆与外包混凝土之间铺设垫层，即包角180°。以蜗壳进口断面为例，分别计算垫层弹模E=2MPa、4MPa、6MPa、8MPa、10MPa、15MPa、22MPa、30MPa时断面顶部钢衬、内层钢筋及外围混凝士的环向应力及承载比，结果见表1及图1所示。表1不同垫层弹模下蜗壳各部分材料的环向应力及承载比钢衬内层钢筋混凝土垫层弹模/MPa环向应力/MPa承载比(%)环向应力/MPa承载比(%)承载比(%)268.478.47.88.912.7464.974.48.29.416.2662.071.18.59.819.1859

7、.668.38.910.221.51057.365.79.210.523.81552.760.49.811.328.32247.854.810.412.033.23043.850.211.112.837.0随着垫层弹性模量的减小，蜗壳外围钢筋混凝土的承载比也逐渐减少，亦即传到外围钢筋混凝土中的内水压力逐渐减少，钢衬所承担的比例逐渐增大。垫层弹模由30MPa减少到2MPa过程中，钢衬和混凝土的承载比变化比较明显，钢衬提高28.2%，混凝土降低24.3%，而内层钢筋则变化很小仅为3.9%。这说明