龙开口电站钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析

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1、第43卷第15期人民长江Vo1．43，No．152012年8月YangtzeRiverAug．，2012文章编号：1001—4179(2012)15—0007—04龙开口电站钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析马文亮，李晓芬2，陈卫星(1．华北水利水电学院，河南郑州450011；2．中原工学院，河南郑州450007；3．中石化集团河南石油勘探局勘察设计研究院，河南南阳473132)摘要：龙开口水电站采取钢衬钢筋混凝土坝后背管的结构形式。应用非线性有限元理论，分析得到了该坝后背管结构的承载规律，研究了钢衬和外包钢筋混凝土的应力、

2、位移分布规律，以及钢衬的承载比例。分析结果表明，随着内水压力增加，钢管承载比例系数经历了减小、增加、再减小的过程；在设计水头作用下，坝后背管结构安全系数满足设计要求。钢衬钢筋混凝土坝后背管是一种经济、安全、合理的结构形式，应用前景广阔。关键词：坝后背管；非线性有限元；联合承栽；承载比例；龙开口水电站中图法分类号：TV642文献标志码：A式中，为初始弹性模量；E=。／6。为应力达到峰l工程概况值时的割线弹性模量；。、。分别为应力达到峰值时龙开口水电站位于云南省鹤庆县中江乡境内的金的应力、应变。沙江中游河段上，是规划中金沙江中

3、游河段8个梯级2．2混凝土破坏准则电站的第6级电站，上接金安桥水电站，下邻鲁地拉水混凝土的破坏准则采用改进的William—Warnke电站。电站装机容量1800MW，挡水建筑物为混凝土五参数破坏准则，计算时需要以下几个参数来加以定重力坝，采用坝后式厂房，装机5台，供水方式为单管义：单轴受拉强度，单轴受压强度，双向受压强度单机，坝后背管。引水压力钢管斜直段采用坝后背管，厶，以及在某一围压or：下的单向受压强度和双向受倾角与下游坝面相同，坡度为1：0．75，坝后背管采用压强度。在计算中，判断应力是否达到破坏准则的依钢衬钢筋混

4、凝土压力管道结构形式，这是一种按钢衬与钢筋混凝土联合承载设计的复合型结构¨。本文据为一S≥0，其中，F为应力组合，S为William一)应用非线性计算理论，对龙开口水电站钢衬钢筋混凝Warnke破坏面。土坝后背管联合承载性能进行了分析。2．3压碎与开裂模拟2计算理论在非线性分析时，当应力组合达到破坏面，则单元2．1混凝土的本构关系进入压碎或开裂状态。如果在单轴、双轴或三轴压力作用下，某个积分点上的材料失效了，就意味着这个点计算中使用弹塑性本构关系来描述混凝土受拉时上的材料压碎了，单元进入压碎状态，则单元刚度为的应力应变关系

5、。采用Drucker—Prager屈服准则，其零，且应力完全释放。通过修正的应力一应变关系，引塑性流动为关联流动，混凝土单轴受压时的应力一应入垂直于裂缝表面方向上的一个缺陷平面来表示在某变关系采用Saenz提出的公式：个积分点上出现了裂缝。当裂缝张开，后继荷载使裂缝表面产生滑动或剪切时，引入一个剪切力传递系数来模拟剪切力的损失。当裂缝闭合时，所有垂直于裂收稿日期：2012—03—17基金项目：河南省教育厅自然科学基础研究计划项目(2010B560009)作者简介：马文亮，男，讲师，硕士，主要从事工程结构的计算与分析工作。E

6、—mail：hljmwl@126．com8人民长江缝面的压应力都能传递到裂缝上，但是剪切力只传递留有的缝隙用弹簧单元连接，其单元划分如图2所示。原来的卢倍。管槽混凝土与坝体混凝土之间采用聚乙烯泡沫填充，在抗裂计算过程中，裂缝闭合的判据为开裂应变采用弹簧单元模拟。：：<0o其中，开裂应变篓的定义为+(+)，仅1条裂缝=+8，有2条裂缝(2)占，有3条裂缝式中，{}=[r]{}，其中[r]为坐标转换矩阵。{}={}+{△}一{△7}一{△占P』}(3)式中，n为荷载步数；{一。}为前一步弹性应变；{△}为应变增量；{△}为热应

7、变增量；{△8}为图1计算模型模拟范围塑性应变增量。135。90。45。如果：≥0，则认为裂缝是张开的，在某个积分点上出现了裂缝之后，则认为在下一步迭代中裂缝是张开的。。圭垂3计算模型3．1基本参数龙开口水电站坝后钢衬钢筋混凝土压力管道钢衬壁厚26mm，钢管内径10．0m，材料为16MnR钢，弹性图2背管结构单元划分及分析断面模量E：206GPa，泊松比=0．3，抗拉强度设计值。=300MPa。外裹混凝土厚为1．5m，强度等级为4计算结果分析C25，弹性模量E=28GPa，泊松比／1,=0．167，轴心抗4．1背管结构承载

8、规律压强度标准值=17MPa，轴1、5,抗拉强度标准值=通过分析钢衬钢筋混凝土坝后背管三维非线性有1．75MPa。钢筋为Ⅱ级，切线弹性模量E=200GPa，限元的计算结果发现，随着内水压力的增大，背管结构泊松比=0．25，屈服强度or。．：=310MPa，割线弹性主要经历了如下几个阶段。模量E=20GP