蜗壳外围混凝土裂缝稳定性分析

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1、第32卷第3期人民黄河Vo1．32．No．32010年3月YELLOWRIVERMor．，2010【水利水电工程】蜗壳外围混凝土裂缝稳定性分析马震岳，吕克金，张存慧(大连理工大学土木水利学院，辽宁大连116024)摘要：根据某水电站蜗壳外围混凝土非线性静力有限元计算结果，确定了裂缝分布范围和长度。应用ANSYS有限元软件建立了带裂缝的蜗壳管节模型，引入混凝土断裂力学概念，在裂缝尖端设置应力奇异单元。计算分析表明：蜗壳外围混凝土裂缝在荷载作用下主要是I—II复合型裂缝；蜗壳结构在正常运行期间裂缝稳定；在最大内水压力作用下和蜗

2、壳检修期间部分裂缝会继续发展，应予以注意。关键词：蜗壳结构；裂缝；应力强度因子；断裂韧度中图分类号：TV543文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．03．057巨型蜗壳结构运行期间，在内水压力作用下，其外围混凝-=土薄弱部位或高应力集中区一般会产生分布裂缝，且某些断面特别是进口段蜗壳的顶部或腰部可能出现宏观可见的集中贯K：(2)穿性裂缝，而在动态水击压力、最大内水压力和检修放空等工况下，蜗壳结构受力条件更趋复杂。混凝土裂缝的开裂状态及m其稳定性对于机组和厂房水下?昆凝土结构的静动

3、态运行安全至关重要，有必要对蜗壳外围混凝土裂缝的稳定性进行研究。在使用有限元法进行应力强度因子计算时，因常规单元在裂纹尖端存在奇异性而使用奇异单元，即使用二次三角(或五笔者以某大型水电站直埋式蜗壳结构为研究对象，对蜗壳面体)单元，并将靠近裂纹尖端的中间节点置于1／4处，则沿裂外围混凝土裂缝进行了非线性有限元静力计算，引入混凝土断裂力学方法，根据混凝土复合断裂韧度判据，判断其裂缝的稳纹尖端单元边上的应力和应变与l／成正比，而位移与成正定性。比，这样应力强度因子就消除了奇异性，也就是说可以用相对比较稀疏的单元得到精度较高的结果

4、。1理论方法1．2混凝土复合裂缝断裂判据采用徐道远等提出的定量衡定方法，即通过缝端稳定安1．1ANSYS求解应力强度因子方法全系数It判断混凝土复合裂缝断裂情况：线弹性断裂力学中常用应力强度因子来描述裂纹场。It=Km／Klc(3)ANSYS软件提供的“位移外推”法能较好地计算裂纹周围区域其中的应力分布和裂纹的应力强度因子，计算简单、精度高⋯。在线弹性范围内，三维裂纹尖端的局部位移场与应力强度因子的=Jie,+2Ⅱ+(4)关系为。式中：为复合应力强度因子；KI为同一0、02下K的断裂一临界0一ctanarctan。Ki显然

5、，若n<1，则裂缝是稳定的，且n值越小，稳定性越高；=(1+)(1)若n>1，则裂缝是不稳定的，必将扩展；当n=1时，裂缝处于2KⅢ临界状态。√混凝土断裂韧度K。一般由试验确定，也可采用如下公式式中：u'tO为裂纹尖端局部直角坐标系下裂纹前端位移；r为估计j：裂纹尖端局部柱坐标系下坐标；G为材料剪切模量；I、KⅡ、KⅢ为应力强度因子；平面应变或轴对称k=3～4v，平面应力=收稿日期：2009—06--05基金项目：国家自然科学基金资助项目(50679009)。(3一)／(1+l，)，为泊松比。作者简介：马震岳(1962一)

6、，男，河南南阳人，教授，博士生导师，研究方向为机当利用裂纹尖端节点的位移△“、Av、Aw进行计算时，应力组振动和水电站建筑物结构分析。强度因子可表示为E-mail：dmzy@dlut．edu．cn·】24·人民黄河2010年第3期KIc=0．197+0．232InC±1．96S(5)心角度，其他两个坐标相同。对应节点的6个自由度完全耦式中：C为裂缝深度，em；S为标准差，S=0．075MPa·m。合，即视蜗壳及外包混凝土结构为周期对称结构。混凝土强度等级为C20，容重为25kN／m，弹性模量为2计算模型与条件2．55×10

7、MPa，泊松比为0．167，抗拉强度为1．5MPa，蜗壳钢衬、座环、导叶等所用钢筋的容重为78．5kN／m，弹性模量为西部某在建大型水电站蜗壳结构采用直埋方案，进口直径2．1X10MPa，泊松比为0．30。为8m，水轮发电机组单机容量为650MW。根据蜗壳非线性正常运行期间内水压力为1．6MPa，最大内水压力为2．3有限元静力分析结果，蜗壳进口段外围混凝土开裂严重，因此MPa，蜗壳检修期间内水压力为0。计算荷载还包括：结构自重选进口断面的第1个管节建立计算模型。采用轴对称局域模(编号a)，定子基础承受荷载6000kN(编号

8、b)，下机架承受荷型，计算中混凝土结构上端取至高程955．30m，下端取至尾水载32000kN(编号c)，正常运行期间发电机层、电气夹层、水轮管直锥段高程937．5m，两端取至机组段分缝处。机层分别承受的楼板活荷载为0．06、0．03、0．03MPa，检修期间直埋蜗壳进口段外围混凝土可概化为未受损区、分