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1、________________________________________________________________________第29卷第1期武汉水利电力大学学报http:\www.paper.edu.cnVol.29No.11996年2月J.WuhanUniv.ofHydr.&Elec.Eng.Feb.19963设垫层坝内埋管结构分析伍鹤皋 匡会健 马善定(水力发电工程系)摘要 通过对设垫层坝内埋管结构的计算分析,论证了在钢管外周设置垫层可以有效降低钢管外围混凝土的拉应力,提高混凝土抗裂安全,并充分发挥钢管的作用.关键词 坝内埋管;抗裂安全度;有限元
2、中图法分类号 TV732.2 随着水电建设的不断发展,水电站的单机容量愈来愈大,压力管道的HD值也不断提高.对于大直径的坝内埋管,管道对坝体结构削弱较大,钢管外包混凝土厚度相对较薄,因此,当钢管与坝体混凝土联合承载时,内水压力的绝大部分将传至坝体,使坝体混凝土内出现很大的拉应力,其抗裂安全难于保证.因此,近年来国内外开始在大直径坝内埋管中采用设软垫层的坝内埋管结构型式,例如巴西的伊泰巴列卡水电站,中国福建的水口水电站等.设软垫层与联合承载坝内埋管相比,结构上的主要差别在于,前者在钢管外周用垫层材料将钢管与混凝土隔开,使内水压力的绝大部分由钢管承担,减少了传至坝体混凝土
3、的内压值,从而减小了坝体混凝土的拉应力,增加了坝体的抗裂安全.设垫层坝内埋管是由钢管、垫层以及钢筋混凝土组成的复合结构,国内对此进行了大量的数值分析和模型试验.但是,以往的数值分析都是建立在线弹性假设的基础上,其成果不可避免地受到一定的局限性,如无法考虑垫层和混凝土材料的非线性影响,难以判断设垫层坝内埋管的极限承载力等.文中采用钢筋混凝土非线性有限元方法对设垫层的坝内埋管结构进行了非线性分析,并与线弹性有限元计算结果进行了比较.1 计算条件和方法某大型水电站采用坝内埋管结构型式,其中下水平段承受的内水压力较大,而钢管顶部外包混凝土厚度仅2.0m,如图1所示.图1 计算简
4、图(m) 为了研究坝内埋管设垫层与不设垫层收稿日期:1995-03-18伍鹤皋,男,博士,从事水电站压力管道研究.3水利水电科学基金资助项目.(即联合承载)线性分析与非线性分析的差别,本文结合该具体工程,对下水平段一典型断面©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.__________________________________________________________________________中国科技论文在线http:\www.paper.edu.cn第1期
5、 伍鹤皋等:设垫层坝内埋管结构分析55(如图1)进行了有限元分析.计算方案和条件详见表1,其中垫层材料应力应变曲线采用华东勘测设计院科研所的实测曲线,其它材料力学参数参照有关规范进行取值.表1 计算方案和参数联合承载管道垫层管联合承载管道垫层管计算方案线性分析线性分析非线性分析非线性分析计算方案代号ABCD钢管厚度/mm28282828钢筋配置2<36@202<36@202<36@202<36@20钢材弹模/GPa210210210210钢材泊松比0.30.30.30.3混凝土弹模/GPa26262626混凝土泊松比0.1670.1670.1670.16
6、7砼抗拉强度/MPa1.31.31.31.3-6-6砼极限拉应变200×10200×10垫层材料PS泡沫板PS泡沫板垫层厚度/mm3030垫层变形模量/MPa1.0随荷载变化垫层包角/(°)180180管道设计内压/MPa1.21.21.21.2计算中,以梁单元模拟钢管和钢筋,以弹簧单元模拟垫层,混凝土则采用三角形单元.由于篇幅所限,本文有关钢筋混凝土非线性有限元程序方面的内容从略(可参考文献[3]).2 计算成果与分析2.1设垫层与否对管道应力的影响根据联合承载方案(A方案)和设垫层方案(B方案)的线性计算结果,整理了钢管和钢筋的环向应力(表2)和混凝土环向应力(图2
7、).表2 钢管和钢筋环向应力MPa位 置0°30°60°90°120°150°180°A钢管19.720.319.917.615.113.212.1方案钢筋18.918.016.514.712.711.29.6B钢管148.2148.2148.2165.729.711.39.9方案钢筋7.44.53.20.112.59.78.0 从表2可以看出,对于联合承载方案,钢管最大应力仅20.3MPa,大部分为12～17MPa;而钢筋最大应力也仅为18.9MPa,大部分为9～14MPa.钢管应力和钢筋应力均远远小于钢材的允许应力,没有充分发挥钢材
