三峡水电站充水保压蜗壳平面非线性分析论文

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1、三峡水电站充水保压蜗壳平面非线性分析论文摘要：采用自编的三维钢筋混凝土非线性有限元程序，对三峡水电站充水保压蜗壳进行了平面非线性分析，分析了钢蜗壳及外围钢筋混凝土的应力变形特性。非线性计算分析表明，在蜗壳进口断面处，虽然外围混凝土较薄，但在设计内水压力、结构自重和设备重量这些荷载组合作用下，蜗壳进口断面混凝土可能不会开裂，因此钢材应力均比较低.freel=(σx+σy+σz)/3；α=-sin2φ；β=2csinφcosφ；c为材料粘结力；φ为材料的摩擦角；a为待定系数，随着a值的减小，该双曲线可以与摩尔一库伦包络线达到任意接近的程度，而a

2、值与材料的c、φ值和允许抗拉强度有关。上述Z—p双曲线屈服准则，对于以压应力为主的结构，如地下厂房，高边坡，交通隧洞等，该模型基本上可以反映混凝土和围岩的特性，得到比较可行的计算结果。但是，对于以拉应力为主的结构，如过水的压力隧洞、分岔管，该力学模型已难于描述混凝土的开裂特征，必须加以补充和改进。为此，作者引入了最大主拉应力准则来模拟拉破坏状态，即对于压应力为主的应力状态，采用Zienkie）进行非线性有限元分析，以了解钢蜗壳和外包钢筋混凝土的受力特点及裂缝规律，蜗壳进口断面计算简图和配筋情况如图4所示。计算时，钢蜗壳、座环和混凝土采用8结

3、点等参单元模拟，钢筋采用分布式钢筋模型，分别采用各自的材料本构关系。2.2荷载及荷载组合三峡水电站在运行过程中，与水轮机蜗壳有关的荷载包括：（1）上机架总负荷3000kN；（2）发电机定子重15000kN；（3）下机架（含所有转动部分）总负荷58000kN；（4）发电机、水轮机层楼面活荷载分别为50kN/m2和20kN/m2；（5）结构各部分自重；（6）蜗壳内水压力（设计内水压力为1.395MPa，充水保压值为0.7MPa）。本计算主要荷载组合为：设备重量十结构自重十内水压力（即①～⑥项荷载）。图4计算配筋2.3材料参数(1)钢材：E=21

4、0GPa,μ=0.3，γ=78.5kN/m3,R=320MPa,.freel3,R1=1.55MPa，为偏于安全考虑，取η=0．3计算成果与分析计算采用增量迭代法进行，首先施加设备荷载和结构自重，然后将内水压力分级加载。根据计算结果，分别整理了各级荷载下混凝土、钢衬和钢筋应力，见表1，表中应力点的位置见图4所示。由表1和其它计算结果表明：（1）当考虑蜗壳结构自重、上部设备重量和内水压力P=0.7MPa（相当于蜗壳浇筑时的保压值）时，由于钢蜗壳刚好填满充水保压浇混凝土时产生的缝隙，因此钢蜗壳基本承担了全部内水压力，环向应力均为拉应力，数值约为

5、64.3～77.0MPa；而外围钢筋混凝土基本上承担了上部设备的重量，因此在座环顶、底部（1、9截面，见图4，以下同）和蜗壳侧边水平截面处（5截面），混凝土和钢筋均为压应力，而在蜗壳顶、底（3、7截面）部，混凝土和钢筋应力为较小的拉应力。（2）当内水压力增加到P=1.2MPa时，由于钢蜗壳已经与外围钢筋混凝土紧贴在一起，共同承担大于保压值以外的内水压力，因此除了钢蜗壳拉应力继续增加外，座环顶、底部和蜗壳侧边水平截面混凝土和钢筋的压应力减小甚至出现一定的拉应力，但数值不大。（3）当内水压力达到设计荷载P=1.395MPa时，蜗壳周围混凝土内周

6、边均出现拉应力，其中蜗壳顶、底部（3、7截面）混凝土最大主应力值为1.13MPa，小于C25混凝土的抗拉强度，因此在上部设备重量和设计内水压力作用下，蜗壳外围混凝土可能不会开裂。与此同时，由于混凝士内拉应力较小，混凝土尚未开裂，因此钢筋应力也很低，最大值不超过10.0MPa。由此可见，三峡水电站水轮机蜗壳在设计荷载情况下，结构是非常安全的。（4）当内水压力超载到P＝1.6MPa时，座环顶部和蜗壳底部（1、6截面）混凝土开始裂缝，其它部位混凝土应力仍低于混凝土抗拉强度。此时钢蜗壳和钢筋最大应力均出现在座环顶部，应力数值分别为104.2MPa和

7、40.5MPa，其它部位由于混凝土尚未开裂，因此钢材应力均较低。当加载到P=2.2MPa时，座环顶部和蜗壳底部混凝土裂缝范围进一步扩大，钢材应力也进一步增加，但仍远小于钢材允许应力。由此可见，蜗壳上部设备重量对座环顶、底部和侧边水平截面受力是有利的；而且即使蜗壳内水压力超载到2.2MPa，结构仍然具有很高的安全储备。表1设备重量和内水压力共同作用下混凝土和钢材应力(单位：MPa)内水压力钢材截面位置1234567890.7钢衬内筋外筋混凝土77.0-7.6-8.5-0.9170.3-0.1-0.0167.02.40.70.2967.9-2.

8、6-0.7-0.3164.3-7.90.1-0.9567.0-1.7-0.2067.02.82.30.3369.8-0.8-0.1077.0-7.2-0.861.2钢衬内筋外筋混