巨型水轮机蜗壳不同埋设方式的结构非线性分析.pdf

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1、第43卷第23期人民长江V01．43．No．232012年12月YangtzeRiverDec．，2012文章编号：1001—4179(2012)23—0043一04巨型水轮机蜗壳不同埋设方式的结构非线性分析祁勇峰1’2，陈琴1’2(1．长江科学院材料与结构研究所，湖北武汉430010；2．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北武汉430010)摘要：巨型水轮机蜗壳埋设方式的选择对机组安全运行有重要影响。基于MARC软件对向家坝水电站地下厂房蜗壳结构的不同埋设方式进行三维非线性有限元分析，比较了不同埋设方式下混凝土的裂缝分布、钢材应

2、力、结构位移。结果表明，直埋垫层组合埋设方式具有明显优势，既能充分发挥混凝土的联合承载作用，又能满足结构强度、刚度、限裂、上抬位移等控制标准，是适应于该电站巨型蜗壳的最优埋设方式。关键词：蜗壳；埋设方式；非线性；垫层；向家坝水电站中图法分类号：TV734．21文献标志码：A随着我国水电事业的不断发展，在建及拟建的水壳的承载能力，又能满足机组的安全稳定运行的最优电站机组蜗壳EI趋向巨型化发展。单机容量的增加虽埋设方式，为巨型机组蜗壳埋设方式的合理选择以及然降低了水轮机的成本，但在蜗壳结构的设计、埋设方配筋设计，提供科学依据并积累实践经验。式、安

3、装施工及机组稳定运行等方面却面临着不少技l力学分析模型术难题，需要深入研究。其中，蜗壳埋设方式的选择关系重大，它不仅直接影响水电站厂房的尺寸和施工工采用大型非线性有限元分析软件MARC提供的期，而且还决定了钢蜗壳和外围混凝土的受力和变形基于Drucker—Prager屈服准则的压缩塑性模型、混凝特性，甚至会影响机组的安全稳定运行。因此，巨型水土软化模型以及蜗壳钢板与外围混凝土料的摩擦接触电站蜗壳埋设方式的选择问题近年来备受关注¨。1。模型，在对其进行2次开发的基础上，实现钢筋混凝土目前，机组蜗壳的埋设方式通常有直埋式、垫层式的非线性分析。和充

4、水保压式等。而不同于以上埋设方式的直埋垫层1．1混凝土的弹塑性模型组合埋设方式。63，兼具直埋、垫层两种埋设方式的优MARC给出的线性Drucker—Prager屈服函数比势，具体体现在保证增加整体刚度的同时，减少了直埋较适合用来描述受拉开裂引起的低围压混凝土构件，方式中混凝土承载比过高以及混凝土结构不均匀上抬而蜗壳外围混凝土结构正是属于这种构件。量，极具应用前景，但鉴于工程实践中少有这种设计先在混凝土受压区，屈服面表达式为例，要将这种埋设方式应用于巨型机组，还有待于进一f=√30i11+√3J2一Or(1)步研究。式中，静水压力，，=or。

5、i；常数a、盯可由混凝土的材料本文结合向家坝水电站地下厂房工程实际，采用参数c、9确定。混凝土受拉出现裂缝后，线性软化行为前期线弹性分析初步确定的直埋以及直埋垫层组合方采用双折线拉伸软化曲线¨1。案"。，对机组蜗壳以及外围混凝土结构进行三维接触非线性以及钢筋混凝土结构开裂分析，通过对蜗壳及1．2摩擦接触模型混凝土的受力特性、裂缝分布、钢筋钢板应力及结构位根据机组蜗壳实际运行情况，钢蜗壳与混凝土不移的对比计算分析，从而得到一种既能充分发挥钢蜗可能完全贴紧运行，考虑混凝土与钢蜗壳间的摩擦接收稿日期：2012—05—04作者简介：祁勇峰，男，工程师

6、，主要从事水工结构研究工作。E—mail：nmm2005@126．com人民长江触是十分必要的，因此本文采用双线性摩擦模型来模kN／m3，蜗壳钢板与混凝土间按接触考虑，摩擦系数取拟两者之间的接触关系。假定黏性摩擦和滑动摩擦分0．25。别对应于弹性和塑性相对位移，采用一个滑动面来表(3)垫层。弹模2．5MPa，厚度3cm，末端减薄为示：1em。垫层采用正交各向异性单元模拟，只考虑法向妒=0Z一肛·正0(2)刚度。当妒<0时，发生滑动摩擦；妒>0时，不发生滑动(4)基岩。变形模量15GPa，泊松比0．22。摩擦。，为剪切力Z为法向反力。混凝土与钢

7、蜗壳间2．3荷载及组合的摩擦系数取0．25。水电站正常运行时，与水轮机蜗壳相关的荷载包1．3钢筋单元模型括：①结构自重；②蜗壳内水压力，按甩负荷工况计MARC程序可以通过在任意方向上定义杆单元来算，取为1．58MPa；③水轮机层楼面荷载为20模拟钢筋，并通过埋入方式，将钢筋单元强制嵌入混凝kN／m2；④水轮机顶盖传给座环上环板的垂直力为土单元，程序自动实现钢筋与混凝土的位移协调，因此36325kN；⑤定子基础荷载，总计20个，作用于每个可以解决一些复杂配筋的问题，尤其是蜗壳外围混凝基础板的垂直荷载为606kN，径向荷载为319kN，切土的配筋

8、，涉及到多层不同走向的配筋。向荷载为460kN；⑥下机架基础荷载，共计16个，作用于每个基础板的垂直荷载为3878kN；⑦风罩自重2计算模型与条件及上部结构荷载，取