结构非线性特性对金属蜗壳结构应力影响分析.pdf

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1、第45卷第14期人民长江V01．45．No．142014年7月YangtzeRiverJuly，2014文章编号：1001—4179(2014)14—0056—05结构非线性特性对金属蜗壳结构应力影响分析孙海清，陈锐，伍鹤皋2，齐文强(1．长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430010；2．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072)摘要：应用ABAQUS有限元软件，结合实际工程，对不同埋设方式蜗壳进行了三维非线性有限元计算，分析了各种结构的非线性特性对蜗壳结构受力状态的影响。结果

2、表明，垫层蜗壳结构中，接触非线性特性考虑与否对数值分析结果影响较大，而是否考虑混凝土的开裂非线性则影响较小；直埋蜗壳结构中，混凝土采用弹塑性模型时，钢衬应力水平相比采用线弹性模型可提高50％以上，混凝土结构开裂非线性对数值分析结果影响明显．而是否考虑钢衬与混凝土间接触非线性特性，则对数值分析结果影响较小。明确各种结构非线性特性对数值计算结果的影响程度，能便于工程设计人员更为有效地利用数值分析手段进行蜗壳结构设计。关键词：垫层蜗壳；直埋蜗壳；接触非线性特性；开裂非线性特性；水电站中图法分类号：TV31文

3、献标志码：A一般而言，在中高水头水电站中金属蜗壳外围均者之间存在接触界面，并非完全粘结成为一体，接触面需要浇筑钢筋混凝土结构，两者联合承载，共同形成水间接触状态随着结构的变形随时发生变化，表现出非轮发电机组的基础结构。按金属蜗壳埋人混凝土结构常明显的接触非线性特性。在蜗壳结构实际承载过程方式的不同，蜗壳结构一般可分为垫层蜗壳、充水保压中，混凝土的材料非线性特性以及钢衬与外包结构间蜗壳和直埋蜗壳。的接触非线性特性是影响结构受力状态的关键因素。水电站蜗壳结构受力较为复杂，钢蜗壳与外包结本文借助有限元分析软

4、件ABAQUS，针对某大型构虽为联合承载结构，但二者的传力特性与荷载分担水电站蜗壳结构进行三维非线性数值分析，重点研究比例难以准确把握，因此对于实际工程而言，模型试验不同埋设方式下，钢筋混凝土结构的开裂非线性以及和数值分析的结果具有非常重要的参考价值。随着计钢衬一外包结构界面接触摩擦特性对蜗壳结构受力特算机技术的快速发展，有限元数值计算方法在蜗壳结性的影响，为水电站厂房结构的工程设计提供参考。构的研究与工程实践中发挥着越来越重要的作1三维非线性数值模拟用一。钢蜗壳和外包混凝土组成的复合结构在联合承载1

5、．1钢筋混凝土损伤塑性模型的过程中，存在着较为明显的非线性特征。首先，在蜗近几十年来，损伤力学理论已经越来越广泛地被壳内水压力作用下，外包钢筋混凝土结构往往会发生应用于混凝土材料和结构的强度、变形及破坏分析等开裂，混凝土刚度退化，其应力应变关系也不再表现为方面。本文计算分析采用的混凝土损伤塑性模型是线弹性特性。其次，蜗壳充水运行条件下，钢蜗壳紧贴ABAQUS中一个基于塑性的连续介质损伤模型，它以外包结构(充水保压蜗壳和直埋蜗壳结构中钢衬与混损伤力学理论为基础，引入不可逆的损伤变量对混凝凝土直接接触，垫

6、层蜗壳结构中钢衬同时与垫层材料土的弹性刚度矩阵加以折减，以模拟混凝土弹模随损及混凝土结构接触)，虽然此时蜗壳钢衬与外包结构伤增加而降低的非弹性特点。该模型的可靠性在相关形成整体，联合承担以内水压力为主的外部荷载，但二混凝土结构的非线性分析中已经得到较好的验证]。收稿日期：2014—06—10基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179141)作者简介：孙海清，男，工程师，博士，主要从事水电站引水发电建筑物设计工作。E—mail：sunhaiqingyan@163．tom第14期孙海清，等：结构非线性

7、特性对金属蜗壳结构应力影响分析57本文计算所采用的混凝土拉伸损伤变量随混凝土凝土及垫层结构，其中蜗壳和座环均采用4节点板壳开裂应变的变化曲线如图1所示，混凝土的单轴拉伸单元进行模拟，混凝土及垫层采用8节点六面体实体软化曲线如图2所示。ABAQUS程序通过埋人方法将单元模拟，单独的钢筋单元通过埋人方法嵌入混凝土单独的钢筋单元嵌入混凝土单元，自动耦合自由度，该实体单元，计算模型网格如图4所示。计算模型底部钢筋模型依据钢筋和混凝土位移协调，分别求出钢筋施加全约束，1号和3号断面处施加法向约束，下游侧和混凝土

8、对单元刚度矩阵的贡献，然后组合起来形成考虑围岩抗力作用，机组分缝处取为自由边界。相关综合的单元刚度矩阵j。材料参数详列于表1。图1混凝土拉伸损伤曲线lH16图3蜗壳断面示意(尺寸单位：mm)ldI．2㈨08蜞O．4图2混凝土拉伸软化曲线1．2钢衬一外包结构接触关系模拟Uj接触问题是一种状态非线性行为，在有限元分析中，接触条件是一类特殊的不连续约束，接触面间的接触状态会随着结构受力的变化而不断改变。蜗壳钢衬与外包结构之间属于典型的面面接触问题，ABAQUS