水电站蜗壳保压浇混凝土结构的三维仿真分析

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1、水电站蜗壳保压浇混凝土结构的三维仿真分析摘要：三峡工程水电站厂房蜗壳采用保压浇外围混凝土的结构形式。为研究钢蜗壳与外围混凝土交界面的接触性态，分别对冬季和夏季浇混凝土情况进行了模拟施工过程的三维有限元仿真计算，给出了交界面在不同季节不同水位运行期的传力和间隙，结果表明温度对传力的影响显著。对冬季浇筑情况，研究了通过提高保压水温来减小高温季节高水位运行期的传力；对夏季浇筑情况，研究了通过降低保压水头来减小蜗壳混凝土在低温季节低水位运行期的间隙。关键词：蜗壳保压浇混凝土温度效应仿真分析三维有限元法　温度变化引起的混凝土和钢蜗壳间的不协调温度变

2、形会影响两者间的相互作用，这种相互作用是随运行季节变化的，并与浇筑季节和保压水温有关，因此选择合适的浇筑季节和保压水温也同样重要。若再考虑施工过程及混凝土弹模、徐变和水泥水化热随时间变化的影响，两者的相互作用实际上是十分复杂的，只有通过模拟施工过程的仿真计算才能分析清楚。然而，通常都没有考虑温度的影响[1]，模拟施工过程的仿真分析更是少见。三峡水电站蜗壳采用保压浇混凝土的结构形式，装机高程57m.正常设计水位175m(考虑水击力的影响，相应内水压力为1.395MPa)，初期运行水位135m，两者相差较大。通过有关研究工作，设计采用的保压水

3、头为70m.由于机组台数多和工期要求，可能在不同季节都会有机组施工。一方面，由于保压水头较小，低温季节浇外围混凝土的机组在高温季节高水位运行时，混凝土结构承担的荷载较大；另一方面，由于初期运行水头较小，高温季节浇外围混凝土的机组在低温季节低水位运行时，钢蜗壳与混凝土将不能完全贴紧运行。这两方面可分别采取提高保压水温和降低保压水头的措施。为此，本文通过三维有限元仿真计算，分析冬、夏季浇筑外围混凝土情况，在不同季节、不同水位运行期钢蜗壳与外围混凝土交界面的传力或可能存在的间隙，并研究合适的保压水头和保压水温。1计算条件1.1结构计算模型三峡工

4、程挡水坝为混凝土重力坝，电站厂房为坝后式。本文取一左岸岸坡坝段机组为研究对象，由于厂坝联接段压力钢管用垫层管取代了伸缩节，且垫层管下游端未设止推环，大坝的变形将通过垫层管影响到钢蜗壳的位移以及钢蜗壳与外围混凝土间的相互作用，因此计算模型中包括了大坝和垫层管，坝体包括钢管坝块及实体坝块，两坝块间为永久横缝。厂坝间分缝Δ51m以下岩坡进行接缝灌浆。主厂房模拟至Δ67m，上、下游副厂房只模拟下部实体部分，见图1、图2.垫层管长10m，其中坝内长5.8m，厂内长4.2m.厂内段垫层管可分为2段，即一期混凝土2.2m段和三期混凝土2.0m段。钢蜗壳

5、进口位于垫层管下游端的下游侧1.1m处。图1大坝及厂房立体(含部分基础)图2厂房横剖面1.2材料参数(1)钢管、座环和固定导叶等钢材：E=210GPa，μ=0.30，α=1.2×10-5/℃,γ=78.0kN/m3；蜗壳钢板厚度20～64mm.(2)基岩：厂房基岩E=26GPa；大坝基岩E=10～26GPa；μ=0.23，α=0.85×10-5/℃，导温系数a=0.083m2/d.(3)大坝混凝土：E=26GPa，μ=0.167，α=0.85×10-5/℃,a=0.083m2/d.(4)钢蜗壳与外围混凝土交界面：摩擦系数f=0.5.(5)

6、厂房混凝土：μ=0.167，α=0.85×10-5/℃，a=0.083m2/d,γ=24.5kN/m3；弹模、绝热温升和徐变度分别见式(1)～式(3)，不计混凝土自身体积变形。E(t)=33.0t/(5.12+t)(单位：GPa)(1)Q(t)=24.2(1-e-0.837t0.849)(单位：℃)(2)C(t,τ)=C1(τ)(1-e-0.3(t-τ))+C2(τ)(1-e-0.005(t-τ))(单位：10-6/MPa)(3)式中：t——混凝土龄期(d);τ——加荷龄期(d)；C1(τ)=7.58+183.1/τ；C2(τ)=12.4

7、+35.3/τ。1.3主要边界温度曲线T(t)及表面放热系数β　　(1)与大气接触的结构外表面T(t)=17.35+11.55sinω(t-108.8)(℃)，β=15.12℃(4)式中：t——时间(d)，以1月1日为原点；ω=2π/365，下同。厂房混凝土浇筑期间，厂房左右两侧边界也按式(4)考虑，以后按绝热边界考虑。(2)运行期上、下游副厂房内表面和主厂房Δ67m表面T(t)=22.0+8.0sinω(t-120.0)(℃),β=5.132℃(5)(3)运行期引水压力管道和蜗壳内表面T(t)=17.53+8.5sinω(t-130.0

8、)(℃),β=23262℃(6)(4)运行期大坝上游表面。运行期库水位以下的大坝上游表面采用库水水温边界条件，库水温度曲线随高程变化。1.4施工过程厂房混凝土浇筑层厚1.5～3.0m，分4区，