灯泡贯流式水电站厂房有限元计算分析

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1、第21卷第4期西北水力发电Vol.21No.42005年12月JOURNALOFNORTHWESTHYDROELECTRICPOWERDec.2005文章编号:1671-4768(2005)04-0015-04灯泡贯流式水电站厂房有限元计算分析司政,陈尧隆,徐云明,陈曦(西安理工大学水利水电学院,西安710048)摘要:由于受水力资源、地形条件及资金等的限制,现今人们的目光逐渐由修建高坝、大电站转向了开发低水头水力资源。灯泡贯流式水电站就有着工程量小、建设周期短、淹没损失少、便于集资等优点,因此越来越受到人们的关注。灯泡贯流式水电站厂房是由多个孔洞组成的复杂三维孔洞结构,本文针对

2、该结构进行了整体三维有限元分析,为结构安全提供了有力的依据。关键词:灯泡贯流式;水电站厂房;三维孔洞结构;有限元分析中图分类号:TV731文献标识码:B即为:1引言Mee∏()=∑∏()(1)我国拥有十分丰富的低水头水力资源,但是e=1[1]式中,M为离散模型的单元总数;及e分别表示利用并不充分。据不完全统计,我国经过规划结构及单元的节点位移向量。其中,单元e的势能的、水头在25m以下的水电站,总计约可表示为:13400MW,年发电量仅为600亿kW·h。尤其是ee1eTTe华东、中南等工农业生产发达,用电需求量增加较∏()={}[B][D][B]{}dV2∫Ve快

3、,而能源紧缺的沿海地区。这一地区的水力资源eTT仅占全国水力资源总量的10%左右,可开发的中、-∫{}[N]{p}dVVe高水头水力资源目前已剩不多。因此,为满足该地eTT-{}[N]{q}dS(2)区的工农业迅速发展的需要,开发利用低水头水∫Se力资源(包括沿海的潮汐资源)已引起各方面的广式中,Ve是单元e的体积;Se是单元e的面力作用泛关注。而贯流式水电站正是开发低水头水力资面积;[B]是几何矩阵;[D]是弹性矩阵;[N]为源较好的方式。贯流式水电站是指采用贯流式水描述节点位移变化规律的形函数。轮机组、开发低水头水力资源而建造的水电站。这式(2)是函数e的泛函∏e表达式

4、。由最小势种水电站一般工程量小、建设周期短、淹没损失能原理,将∏e(e)对节点位移e取极小值,可得少、见效快、便于集资,因此发展也很快。∏eTee=∫[B][D][B]{}dVV2计算原理eTT-∫[N]{p}dV-[N]{q}dS根据最小势能原理,把连续体分成有限个单V∫Seeeee元且由有限个节点联结成集合体。对于弹性力学=[K]{}-{R}(3)问题,可表示为结构的总势能是各单元势能之和,收稿日期:2005-06-17作者简介:司政(1981-),男,湖北浠水人,西安理工大学在读硕士;陈尧隆(1945-),男,湖南双峰县人,西安理工大学教授,博士生导师。16西

5、北水力发电第21卷e式中{R}为体力{p}及面力{q}在单元e上的等建筑物,要承受上、下游水平作用力,使其内力分效节点荷载向量,其表达式为:布较其它形式的厂房更加复杂,而贯流式机组较eeT其它类型机组而言,其机组型式、受力方式有自身{R}=∫[N]{p}dV+[N]{q}dS(4)V∫See特点,为了全面了解厂房坝段应力、位移(水平向、单元e的刚度矩阵的表达式为:竖向)、配筋及防裂情况,使厂房结构设计更加合[K]e=∫[B]T[D][B]dV(5)理、安全、经济,采用整体三维静力有限元计算是Ve十分必要的。经整理后,则可得到结构的平衡方程组:3.2计算假定及边界条件[K]{}=

6、{R}(6)假定混凝土、基础岩体均为各向同性线弹性3算例计算材料。各厂房坝段间设置有结构缝,因此各坝段独立承受荷载,坝段间无相互作用。3.1工程概况厂房结构在计算中边界条件的选取:地基底某水电站厂房坝段总长123.28m,从左至右部为三向约束;地基上、下游面及左、右侧面各施依次为电站厂房、安装间。厂房内设4台贯流式机加相应法向链杆约束(但在左右侧面地基与混凝组,型号为GZ995-WP-720,单机容量24MW,额土交界线上无约束);坝段的横缝面和上、下游面定水头6.8m,多年平均发电量4.91亿kW·h。按自由边界处理。电站厂房分为4个坝段,一机一缝,每个坝段长3.3结构离散化2

7、1.82m。厂房坝段顺水流方向长72.79m,由三本次计算选取长21.82m的3#厂房坝段为计部分组成:流道进水口段、机组段、流道尾水管段。算对象,对厂房坝段所有混凝土结构均进行了模整个流道型式较为复杂,进口段由方变圆,在尾水拟。基础向上游取50m,向下游取50m,基础向下段由圆变方。坝基灌浆廊道横断面尺寸2.5m×取50m。坝体和地基单元为六面体及四面体单3m,底板高程516.00m。坝下0+32.09m处设有元,主要部位的单元沿结构厚度方向不少于3层。一交通廊道,横断面尺寸为

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