三峡水电站充水保压蜗壳平面非线性分析

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1、三峡水电站充水保压蜗壳平面非线性分析摘要：采用自编的三维钢筋混凝土非线性有限元程序，对三峡水电站充水保压蜗壳进行了平面非线性分析，分析了钢蜗壳及外围钢筋混凝土的应力变形特性。非线性计算分析表明，在蜗壳进口断面处，虽然外围混凝土较薄，但在设计内水压力、结构自重和设备重量这些荷载组合作用下，蜗壳进口断面混凝土可能不会开裂，因此钢材应力均比较低，结构具有较高的安全度。说明现有配筋方案钢筋用量可能偏多，没有充分发挥钢材的作用，在进一步设计时可以适当优化。关键词：水电站厂房钢蜗壳钢筋混凝土非线性有限元蜗壳结构是水电站厂房水

2、下结构的重要组成部分之一。三峡水电站的蜗壳结构型式经有关单位长期研究分析和专家组多次审查，决定采用“充水保压”浇筑钢蜗壳外围混凝土的方案。三峡水电站机组单机容量大、机组台数多，运行期分为初期和后期两个阶段，结合三峡水电站的特点，合理选择钢蜗壳外围混凝土浇筑时的保压值和配筋方式，不仅是个重大的技术经济问题，而且也关系到电站是否能长期安全运行。三峡工程的建设方针是“一次建成，分期运行”，建成后初期运行时水位较低，如果浇筑混凝土时钢蜗壳内充水保压的压力值取得较大，虽然在运行时外围混凝土分担的内水压力可以较小，但在初期运

3、行期内，钢蜗壳不能与外围混凝土紧密相接，不利于增加机组基础刚度、减小机组振动。相反，如果充水保压的压力值取得过小，虽然在初期运行大部分时间内钢蜗壳能与外围混凝土结成整体，增加刚度，但在电站后期运行时，库水位抬高，外围混凝土分担的内水压力较大，由于钢蜗壳外包钢筋混凝土较薄，可能引起混凝土开裂。因此，本文在合理选择钢蜗壳充水保压值[1]的基础上，对最薄弱的蜗壳进口断面进行了进一步的平面非线性有限元分析，以优化结构设计和钢筋配置。1钢筋混凝土非线性有限元程序计算程序是在一个岩土程序的基础上改编而成的三维非线性有限元程序

4、。它不仅可以对地下洞室的开挖、支护和运行进行模拟计算，也可以对地面上的钢筋混凝土结构（如钢衬钢筋混凝土管道、分岔管和蜗壳等）的应力状态、开裂特性以及承载能力进行分析。1.1岩石、混凝土的模拟1.1.1材料本构关系采用根据摩尔—库仑准则进行修正的Zienkiealstyle="TEXT-ALIGN:center"align=center>图1Zienkiealstyle="LINE-HEIGHT:17.25pt;TEXT-ALIGN:left"align=left>(1)其中：；ν=a2sin2φ-c2cos2φ；

5、σm=(σx+σy+σz)/3；α=-sin2φ；β=2csinφcosφ；c为材料粘结力；φ为材料的摩擦角；a为待定系数，随着a值的减小，该双曲线可以与摩尔一库伦包络线达到任意接近的程度，而a值与材料的c、φ值和允许抗拉强度有关。上述Z—p双曲线屈服准则，对于以压应力为主的结构，如地下厂房，高边坡，交通隧洞等，该模型基本上可以反映混凝土和围岩的特性，得到比较可行的计算结果。但是，对于以拉应力为主的结构，如过水的压力隧洞、分岔管，该力学模型已难于描述混凝土的开裂特征，必须加以补充和改进。为此，作者引入了最大主拉应

6、力准则来模拟拉破坏状态，即对于压应力为主的应力状态，采用Zienkiealstyle="TEXT-ALIGN:center"align=center>(2)式中：η为残留抗剪系数，其值反映由于骨料联锁或表面啮合作用可以承受的部分剪力，显然，应有0≤η≤1。类似地，对于双向拉裂或三向拉裂情况，也可以对应力-应变关系矩阵进行相应的修改。1.2钢筋的模拟1.2.1钢筋模式本文程序采用了分布式钢筋模型，即假设钢筋以一定的角度分布在整个单元中，并假设混凝土与钢筋之间存在着良好的粘结，如图2所示。在这种假设下，钢筋是弥散在整

7、个单元中的，单元被视为由连续均匀的材料组成。钢筋对整个结构的贡献，是把弹性矩阵改为钢筋和混凝土两部分组成，求得复合单元刚度矩阵，这可用虚功方程推导出。复合单元本构矩阵的表达式为[D]=ρC[DC]+ρs[Ds](3)式中：[D]为复合单元本构关系矩阵；ρC为混凝土受力面积与总截面积之比；ρs为钢筋受力面积与总截面积之比，亦称配筋率。由式（3）可以看出，复合单元的本构关系矩阵[D]是由两部分叠加起来的，一部分是混凝土的[DC]矩阵，一部分是布置在各方向的钢筋的[Ds]矩阵，二者贡献之和，组成了复合材料单元的本构

8、关系矩阵。1.2.2钢筋的本构关系在钢筋混凝土结构中，钢筋主要是在顺长方向上起作用，钢筋是一维的，因此钢筋只要采用一维本构关系就可以满足工程的需要，钢筋的应力-应变关系可以用下式表示：图2钢筋模型图3简化钢筋应力-应变曲线σs=Esεs当εs<εy时，σs=fy+ET(εs-εy)当εs≥εy时，(4)式中：εy=fy/Es为钢筋屈服强度对应的应变。2计算模型与条件