水利工程論文-三峽水電站充水保壓蝸殼平面非線性分析.doc

水利工程論文-三峽水電站充水保壓蝸殼平面非線性分析摘要：采用自編的三維鋼筋混凝土非線性有限元程序，對(duì)三峽水電站充水保壓蝸殼進(jìn)行了平面非線性分析，分析了鋼蝸殼及外圍鋼筋混凝土的應(yīng)力變形特性。非線性計(jì)算分析表明，在蝸殼進(jìn)口斷面處，雖然外圍混凝土較薄，但在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力、結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備重量這些荷載組合作用下，蝸殼進(jìn)口斷面混凝土可能不會(huì)開裂，因此鋼材應(yīng)力均比較低，結(jié)構(gòu)具有較高的安全度。說(shuō)明現(xiàn)有配筋方案鋼筋用量可能偏多，沒有充分發(fā)揮鋼材的作用，在進(jìn)一步設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)優(yōu)化。關(guān)鍵詞：水電站廠房鋼蝸殼鋼筋混凝土非線性有限元蝸殼結(jié)構(gòu)是水電站廠房水下結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一。三峽水電站的蝸殼結(jié)構(gòu)型式經(jīng)有關(guān)單位長(zhǎng)期研究分析和專家組多次審查，決定采用“充水保壓”澆筑鋼蝸殼外圍混凝土的方案。三峽水電站機(jī)組單機(jī)容量大、機(jī)組臺(tái)數(shù)多，運(yùn)行期分為初期和后期兩個(gè)階段，結(jié)合三峽水電站的特點(diǎn)，合理選擇鋼蝸殼外圍混凝土澆筑時(shí)的保壓值和配筋方式，不僅是個(gè)重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，而且也關(guān)系到電站是否能長(zhǎng)期安全運(yùn)行。三峽工程的建設(shè)方針是“一次建成，分期運(yùn)行”，建成后初期運(yùn)行時(shí)水位較低，如果澆筑混凝土?xí)r鋼蝸殼內(nèi)充水保壓的壓力值取得較大，雖然在運(yùn)行時(shí)外圍混凝土分擔(dān)的內(nèi)水壓力可以較小，但在初期運(yùn)行期內(nèi)，鋼蝸殼不能與外圍混凝土緊密相接，不利于增加機(jī)組基礎(chǔ)剛度、減小機(jī)組振動(dòng)。相反，如果充水保壓的壓力值取得過(guò)小，雖然在初期運(yùn)行大部分時(shí)間內(nèi)鋼蝸殼能與外圍混凝土結(jié)成整體，增加剛度，但在電站后期運(yùn)行時(shí)，庫(kù)水位抬高，外圍混凝土分擔(dān)的內(nèi)水壓力較大，由于鋼蝸殼外包鋼筋混凝土較薄，可能引起混凝土開裂。因此，本文在合理選擇鋼蝸殼充水保壓值1的基礎(chǔ)上，對(duì)最薄弱的蝸殼進(jìn)口斷面進(jìn)行了進(jìn)一步的平面非線性有限元分析，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼筋配置。1鋼筋混凝土非線性有限元程序計(jì)算程序是在一個(gè)巖土程序的基礎(chǔ)上改編而成的三維非線性有限元程序。它不僅可以對(duì)地下洞室的開挖、支護(hù)和運(yùn)行進(jìn)行模擬計(jì)算，也可以對(duì)地面上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（如鋼襯鋼筋混凝土管道、分岔管和蝸殼等）的應(yīng)力狀態(tài)、開裂特性以及承載能力進(jìn)行分析。1.1巖石、混凝土的模擬1.1.1材料本構(gòu)關(guān)系采用根據(jù)摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則進(jìn)行修正的Zienkiewicz-Pande的雙曲線屈服準(zhǔn)則來(lái)模擬巖石與混凝土，在午面上，其屈服曲線如圖1，其屈服函數(shù)為：圖1ZienkiewiczPande屈服函數(shù)(1)其中：；=a2sin2-c2cos2；m=(x+y+z)/3；=-sin2；=2csincos；c為材料粘結(jié)力；為材料的摩擦角；a為待定系數(shù)，隨著a值的減小，該雙曲線可以與摩爾一庫(kù)倫包絡(luò)線達(dá)到任意接近的程度，而a值與材料的c、值和允許抗拉強(qiáng)度有關(guān)。上述Zp雙曲線屈服準(zhǔn)則，對(duì)于以壓應(yīng)力為主的結(jié)構(gòu)，如地下廠房，高邊坡，交通隧洞等，該模型基本上可以反映混凝土和圍巖的特性，得到比較可行的計(jì)算結(jié)果。但是，對(duì)于以拉應(yīng)力為主的結(jié)構(gòu)，如過(guò)水的壓力隧洞、分岔管，該力學(xué)模型已難于描述混凝土的開裂特征，必須加以補(bǔ)充和改進(jìn)。為此，作者引入了最大主拉應(yīng)力準(zhǔn)則來(lái)模擬拉破壞狀態(tài)，即對(duì)于壓應(yīng)力為主的應(yīng)力狀態(tài)，采用Zienkiewicz-Pande屈服準(zhǔn)則，而對(duì)于拉應(yīng)力為主的應(yīng)力狀態(tài)采用最大主拉應(yīng)力準(zhǔn)則來(lái)模擬。1.1.2混凝土裂縫的模擬在鋼筋混凝土非線性有限元分析中，混凝土裂縫可以采用離散式裂縫模型、分布式裂縫模型、斷裂力學(xué)模型等進(jìn)行模擬。綜合考慮各種因素，本文程序采用了分布式裂縫模型來(lái)模擬混凝土裂縫。分布裂縫模型認(rèn)為，在第一條裂縫出現(xiàn)以后，混凝土就變成了正交異性體，這就需要重新給出增量形式的本構(gòu)關(guān)系矩陣。設(shè)單元中某一點(diǎn)的主應(yīng)力按代數(shù)值大小排列，123，如其中最大主應(yīng)力1大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，則認(rèn)為裂縫產(chǎn)生，并且假定裂縫方向垂直于1方向。開裂后，最大主應(yīng)力1將被釋放而應(yīng)力重新分布，同時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣在這一方向上的剛度系數(shù)將等于零，由此，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣可修改為：(2)式中：為殘留抗剪系數(shù)，其值反映由于骨料聯(lián)鎖或表面嚙合作用可以承受的部分剪力，顯然，應(yīng)有01。類似地，對(duì)于雙向拉裂或三向拉裂情況，也可以對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣進(jìn)行相應(yīng)的修改。1.2鋼筋的模擬1.2.1鋼筋模式本文程序采用了分布式鋼筋模型，即假設(shè)鋼筋以一定的角度分布在整個(gè)單元中，并假設(shè)混凝土與鋼筋之間存在著良好的粘結(jié)，如圖2所示。在這種假設(shè)下，鋼筋是彌散在整個(gè)單元中的，單元被視為由連續(xù)均勻的材料組成。鋼筋對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，是把彈性矩陣改為鋼筋和混凝土兩部分組成，求得復(fù)合單元?jiǎng)偠染谼=CDC+sDs(3)式中：D為復(fù)合單元本構(gòu)關(guān)系矩陣；C為混凝土受力面積與總截面積之比；s為鋼筋受力面積與總截面積之比，亦稱配筋率。由式（3）可以看出，復(fù)合單元的本構(gòu)關(guān)系矩陣D是由兩部分疊加起來(lái)的，一部分是混凝土的DC矩陣，一部分是布置在各方向的鋼筋的Ds矩陣，二者貢獻(xiàn)之和，組成了復(fù)合材料單元的本構(gòu)關(guān)系矩陣。1.2.2鋼筋的本構(gòu)關(guān)系在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋主要是在順長(zhǎng)方向上起作用，鋼筋是一維的，因此鋼筋只要采用一維本構(gòu)關(guān)系就可以滿足工程的需要，鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以用下式表示：圖2鋼筋模型圖3簡(jiǎn)化鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線s=Ess當(dāng)sy時(shí)，s=fy+ET(s-y)當(dāng)sy時(shí)，(4)式中：y=fy/Es為鋼筋屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。2計(jì)算模型與條件2.1計(jì)算模型根據(jù)三維線性有限元計(jì)算結(jié)果1可知，蝸殼進(jìn)口段由于管徑最大，外包混凝土較薄，在內(nèi)水壓力和上部設(shè)備荷載作用下，該部位混凝土拉應(yīng)力最大，有可能出現(xiàn)裂縫。為此，取蝸殼進(jìn)口斷面一片（厚0.3m）進(jìn)行非線性有限元分析，以了解鋼蝸殼和外包鋼筋混凝土的受力特點(diǎn)及裂縫規(guī)律，蝸殼進(jìn)口斷面計(jì)算簡(jiǎn)圖和配筋情況如圖4所示。計(jì)算時(shí)，鋼蝸殼、座環(huán)和混凝土采用8結(jié)點(diǎn)等參單元模擬，鋼筋采用分布式鋼筋模型，分別采用各自的材料本構(gòu)關(guān)系。2.2荷載及荷載組合三峽水電站在運(yùn)行過(guò)程中，與水輪機(jī)蝸殼有關(guān)的荷載包括：（1）上機(jī)架總負(fù)荷3000kN；（2）發(fā)電機(jī)定子重15000kN；（3）下機(jī)架（含所有轉(zhuǎn)動(dòng)部分）總負(fù)荷58000kN；（4）發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)層樓面活荷載分別為50kN/m2和20kN/m2；（5）結(jié)構(gòu)各部分自重；（6）蝸殼內(nèi)水壓力（設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為1.395MPa，充水保壓值為0.7MPa）。本計(jì)算主要荷載組合為：設(shè)備重量十結(jié)構(gòu)自重十內(nèi)水壓力（即項(xiàng)荷載）。圖4計(jì)算配筋2.3材料參數(shù)(1)鋼材：E=210GPa,=0.3，=78.5kN/m3,R=320MPa,y=1524。(2)混凝土：E=28.5GPa，=0.167，=24.5kN/m3,R1=1.55MPa，為偏于安全考慮，取=03計(jì)算成果與分析計(jì)算采用增量迭代法進(jìn)行，首先施加設(shè)備荷載和結(jié)構(gòu)自重，然后將內(nèi)水壓力分級(jí)加載。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別整理了各級(jí)荷載下混凝土、鋼襯和鋼筋應(yīng)力，見表1，表中應(yīng)力點(diǎn)的位置見圖4所示。由表1和其它計(jì)算結(jié)果表明：（1）當(dāng)考慮蝸殼結(jié)構(gòu)自重、上部設(shè)備重量和內(nèi)水壓力P=0.7MPa（相當(dāng)于蝸殼澆筑時(shí)的保壓值）時(shí)，由于鋼蝸殼剛好填滿充水保壓澆混凝土?xí)r產(chǎn)生的縫隙，因此鋼蝸殼基本承擔(dān)了全部?jī)?nèi)水壓力，環(huán)向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，數(shù)值約為64.377.0MPa；而外圍鋼筋混凝土基本上承擔(dān)了上部設(shè)備的重量，因此在座環(huán)頂、底部（1、9截面，見圖4，以下同）和蝸殼側(cè)邊水平截面處（5截面），混凝土和鋼筋均為壓應(yīng)力，而在蝸殼頂、底（3、7截面）部，混凝土和鋼筋應(yīng)力為較小的拉應(yīng)力。（2）當(dāng)內(nèi)水壓力增加到P=1.2MPa時(shí)，由于鋼蝸殼已經(jīng)與外圍鋼筋混凝土緊貼在一起，共同承擔(dān)大于保壓值以外的內(nèi)水壓力，因此除了鋼蝸殼拉應(yīng)力繼續(xù)增加外，座環(huán)頂、底部和蝸殼側(cè)邊水平截面混凝土和鋼筋的壓應(yīng)力減小甚至出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，但數(shù)值不大。（3）當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到設(shè)計(jì)荷載P=1.395MPa時(shí)，蝸殼周圍混凝土內(nèi)周邊均出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中蝸殼頂、底部（3、7截面）混凝土最大主應(yīng)力值為1.13MPa，小于C25混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此在上部設(shè)備重量和設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下，蝸殼外圍混凝土可能不會(huì)開裂。與此同時(shí)，由于混凝士?jī)?nèi)拉應(yīng)力較小，混凝土尚未開裂，因此鋼筋應(yīng)力也很低，最大值不超過(guò)10.0MPa。由此可見，三峽水電站水輪機(jī)蝸殼在設(shè)計(jì)荷載情況下，結(jié)構(gòu)是非常安全的。（4）當(dāng)內(nèi)水壓力超載到P1.6MPa時(shí)，座環(huán)頂部和蝸殼底部（1、6截面）混凝土開始裂縫，其它部位混凝土應(yīng)力仍低于混凝土抗拉強(qiáng)度。此時(shí)鋼蝸殼和鋼筋最大應(yīng)力均出現(xiàn)在座環(huán)頂部，應(yīng)力數(shù)值分別為104.2MPa和40.5MPa，其它部位由于混凝土尚未開裂，因此鋼材應(yīng)力均較低。當(dāng)加載到P=2.2MPa時(shí)，座環(huán)頂部和蝸殼底部混凝土裂縫范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，鋼材應(yīng)力也進(jìn)一步增加，但仍遠(yuǎn)小于鋼材允許應(yīng)力。由此可見，蝸殼上部設(shè)備重量對(duì)座環(huán)頂、底部和側(cè)邊水平截面受力是有利的；而且即使蝸殼內(nèi)水壓力超載到2.2MPa，結(jié)構(gòu)仍然具有很高的安全儲(chǔ)備。表1設(shè)備重量和內(nèi)水壓力共同作用下混凝土和鋼材應(yīng)力(單位：MPa)內(nèi)水壓力鋼材截面位置1234567890.7鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土77.0-7.6-8.5-0.9170.3-0.1-0.0167.02.40.70.2967.9-2.6-0.7-0.3164.3-7.90.1-0.9567.0-1.7-0.2067.02.82.30.3369.8-0.8-0.1077.0-7.2-0.861.2鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土77.61.73.20.2076.55.00.6075.57.14.30.8574.15.44.00.6563.3-0.15.7-0.0170.93.60.4375.37.03.80.8475.34.70.5679.72.20.261.395鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土85.16.76.30.8079.980.0.9676.58.15.50.9775.26.65.10.7966.42.710.00.3277.18.71.0488.19.55.21.1376.86.10.7383.66.00.721.6鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土104.225.340.5開裂84.711.61.2878.39.86.91.0876.07.46.20.8167.53.810.00.4291.317.3開裂81.311.05.01.2276.46.50.7285.78.60.952.2鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土122.441.560.4開裂98.520.3開裂91.717.99.7開裂88.615.38.71.5483.29.816.81.07103.538.9開裂90.523.68.1開裂