（水利水电工程专业论文）大型水电站充水预压蜗壳结构优化分析研究.pdf

摘要 近年来随着我国更多大容量、高水头常规机组和抽水蓄能机组的建设，充 水预压蜗壳的结构型式在我国的应用越来越多。充水预压蜗壳结构复杂，如何 对其建立合理的有限元模型，真实模拟其实际运行的全过程，进行有效的有限 元分析，是至今尚未很好解决的课题。选择合理的预压水头，使钢蜗壳和外围 钢筋混凝土都比较充分的发挥作用，是一个值得进一步研究的问题。充水预压 蜗壳是部分联台承载结构，从理论上讲，钢蜗壳可以按照其实际分配到的荷载 来设计，而且其承担荷载的大小可以通过预压充水的压力值来可靠调节，这样 就可以减薄钢蜗壳，缓解其制造、安装的困难，并使钢蜗壳与外围钢筋混凝土 都比较充分地发挥作用，取得最优的组合。目前，采用充水预压的钢蜗壳仍然 按单独承受全部设计压力来设计，其钢衬厚度并不因为联合承载而减少。针对 充水预压蜗壳结构的研究现状和存在的主要问题，本文从充水预压蜗壳结构的 仿真计算、充水预压值的合理选取、钢衬厚度的优化等方面进行了深入的探讨 和研究，并取得了以下几项成果： ( 1 ) 、以龙滩水电站为背景工程，蜗壳结构采用充水预压结构型式，应用 a n s y s 程序，建立了充水预压蜗壳结构的应力仿真计算的整体三维有限元模型， 给出了充水预压蜗壳结构的应力分布规律和变形情况，并给出了外围钢筋混凝 土的配筋量建议。将仿真算法与传统算法的结果做比较，验证了仿真算法的可 靠性和实用性。 ( 2 ) 、应用充水预压蜗壳结构的应力仿真算法，针对龙滩水电站蜗壳结构， 采用不同的充水预压值对其进行三维有限元分析，研究了钢蜗壳和外围钢筋混 凝土的应力分布规律与充水预压值之间的关系，并提出了合理的充水预压值。 ( 3 ) 、针对充水预压蜗壳结构，为了使钢蜗壳和外围钢筋混凝土都比较充分 的发挥作用，通过理论分析和实际应力计算，对钢衬厚度进行优化。研究结果 表明，龙滩电站蜗壳钢衬厚度可以从5 0 6 3 m m 减薄到4 2 5 5 m m ，钢衬厚度减 薄后，其强度得到了充分发挥，满足结构安全要求，并可带来显著的经济效益 和社会效益。 关键词：充水预压蜗壳有限元分析应力仿真优化 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ec o n s t r u c t i o no ft h el a r g ec a p a c i t ya n dh i 曲h e a dg e n e r a l h y d r o p o w e rs t a t i o na n dp u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o ni no u rc o u n t r y , t h e r ea r em o r e a n dm o r e p r e l o a d i n gf i l l i n gs c r o l lc a s es t r u c t u r ei na p p l i c a t i o n s t h ep r e l o a d i n gf i l l i n g s c r o l lc a s es t r u c t u r ei se x t r e m e l yc o m p l i c a t e d h o wt oe s t a b l i s hi t sr e a s o n a b l ef i n i t e e l e m e n tm o d e l ，s i m u l a t er e a l l ya l lc o u r s e so fi t sr u n n i n g ，a n dc a r r yo u te f f e c t i v ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，s t i l li s a nu n s o l v e d p r o b l e mu pt on o w , s e l e c t i n gr e a s o n a b l e p r e l o a d i n gw a t e rh e a dt om a k es t e e ll i n e ra n dr e i n f o r c e dc o n c r e t ee x e r t i n gf u n c t i o n s a t i s f a c t o r i l yi saq u e s t i o nw h i c h w o r t hm o r e s t u d y i n g i nt h e o r y , t h ep r e l o a d i n gf i l l i n g s c r o l lc a s es t r u c t u r ei ss e g m e n tc o m b i n e db e a r i n gs t r u c t u r e ，t h es t e e l l i n e rc a l ld e s i g n a c c o r d i n gt od i s t r i b u t e dl o a d ，a n dt h el o a ds t i l l c a na d j u s ta c c o r d i n gt op r e l o a d i n g w a t e rh e a d t h i sc a nr e d u c et h et h i c k n e s so ft h es t e e ll i n e r , r e l a xt h ed i f f i c u l t yo fi t s f a b r i c a t i o na n di n s t a l l a t i o n a n dm a k es t e e ll i n e ra n dr e i n f o r c e dc o n c r e t ee x e r t i n g f u n c t i o ns a t i s f a c t o r i l y h o w e v e r , t h ed e s i g no ft h es t e e ll i n e ro fp r e t o a d i n gf i l l i n g s c r o l lc a s es t r u c t u r ei ss t i l la c c o r d i n gt ob e a r i n ga l li o a d ss e p a r a t e l ya tp r e s e n t ，i t s t h i c k n e s si sn o tr e d u c e d y e tf o rt h ec o m b i n e db e a r i n gs t r u c t u r e i n t h i sp a p e r ，b a s e do n t h es t u d ys t a t u sa n de x i s t e n tm a i n p r o b l e mo fp r e l o a d i n gf i l l i n gs c r o l lc a s es t r u c t u r e ， t h ea u t h o rc a r d e do u te m b e d d e da n a l y s i sa n ds t u d yo ne m u l a t i n gc a l c u l a t i o no f p r e l o a d i n gf i l l i n gs c r o l lc a s es t r u c t u r e s e l e c t i n gp r e l o a d i n gw a t e r h e a dr e a s o n a b l y , o p t i m i z i n gs t e e ll i n e rt h i c k n e s s a n do b t a i n e df o l l o w i n g r e s u l t s ： ( 1 ) b a s e d o nl o n g t a n h y d r o p o w e rs t a t i o n ，a d o p t i n gp r e l o a d i n gf i l l i n gs c r o l lc a s e s t r u c t u r e ，a p p l y i n ga n s y sp r o g r a m ，w e e s t a b l i s h e dw h o l e3 df m i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ee m u l a t i n gm e t h o df o rt h es t r e s s a n a l y s i s o ft h e p r e l o a d i n gf i l l i n g s c r o l lc a s e s t r u c t u r e ，g a i n e dt h es t r e s sd i s t r i b u t e dd i s c i p l i n a r i a na n dd i s p l a c e m e n t s ，a n dp r o p o s e d t h eq u a n t i t yo fr e i n f o r c i n gs t e e l i ns u r r o u n d i n gr e i n f o r c e dc o n c r e t e m o r e o v e r , w e v a l i d a t e dt h er e l i a b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h ee m u l a t i n gm e t h o dt h r o u g hc o m p a r i n g e m u l a t i n gm e t h o dr e s u l t sw i t h t r a d i t i o nm e t h o dr e s u l t s ( 2 ) b a s e do n t h es c r o l lc a s eo fl o n g t a nh y d r o p o w e rs t a t i o n ，a p p l y i n gt h e e m u l a t i n gm e t h o d f o rt l l es t r e s sa n a l y s i so f t h e p r e l o a d i n gf i l l i n gs c r o l lc a s es t r u c t u r e ， w ec a r r i e do u tt h e3 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw i t hd i f f e r e n tp r e l o a d i n gw a t e rh e a d s t u d i e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es t r e s sd i s t r i b u t e dd i s c i p l i n a r i a l lo fs t e e l l i n e ra n d r e i n f o r c e dc o n c r e t ea n dt h e p r e l o a d i n g w a t e rh e a d ，a tl a s t p r e s e n t e dr e a s o n a b l e p r e l o a d i n g w a t e rh e a d r 3 1f o rt h es a k eo fm a k i n gs t c e ll i n e ra n dr e i n f o r c e dc o n c r e t ee x e r t i n gf u n c t i o n s a t i s f a c t o r i l yo f t h ep r e l o a d i n gf i l l i n gs c r o l lc a s es t r u c t u r e w eo p t i m i z e dt h et h i c k n e s s o fs t e e l l i n e ro fs c r o l lc a s et h r o u g ht h e o r ya n a l y s i sa n da c t u a is t r e s sc a l c u l a t i o n t h e s t u d yr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h et h i c k n e s so ft h es c r o l l c a s eo fl o n g t a nh y d r o p o w e r s t a t i o nc a nr e d u c ef r o m5 0 6 3 m mt o4 2 n 5 5 m m a t i e rt h a t ，t h e i ri n t e n s i t i e sc a n e x e r t s a t i s f a c t o r i l y , m e e tr e q u i r e o ft h es t r u c t u r e s e c u r i t y , a n db r i n gr e m a r k a b l e e c o n o m i ca n ds o c i a 】b e n e f i t k e yw o r d sp r e l o a d i n gf i l l i n g s c r o l lc a s ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s t r e s se m u l a t i o n o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 蝴签名兹玩签字脚伊y 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学雠文储签名癌乞玺 签字日期：沙唧年 月_ ) 日 铷躲孝砧 签字日期： 。中年f 月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 研究背景及问题的提出 1 1 1 我国的水电站建设现状 能源开发和利用是整个国民经济的保证。我国的水能资源极其丰富， 全国河流水能理论蕴藏量达6 7 6 亿k w ，年发电量5 9 2 2 2 亿k w h ，其中 可开发装机容量为3 7 8 亿k w ，年发电量1 9 2 3 3 亿k w h ，占世界首位l l j 。 水电站是将水能转变为电能的设备和建筑物的综合体，是生产电能的企 业。我国第一座水电站建于1 9 1 2 年，在昆明龙石坝，装机1 4 4 0 k w 。据不 完全统计，截止到1 9 9 8 年底，全国的水力发电总装机容量为6 5 0 6 万k w ， 年发电量为2 0 4 3 亿k w h ，分别居世界第4 位、第3 位口j 。全国已建成 2 5 万k w 以上的大型水电站3 0 多座；此外，在建的水电站装机容量超过 4 0 0 0 万k w ，其中总库容2 0 亿m 3 以上的大型水库4 7 座，坝高1 0 0 m 以上 的大坝有5 3 座，装机容量5 0 万k w 以上的水电站有3 7 座。在已投产的 电站中，最大的为二滩水电站，装机3 3 0 万k w ；最长的引水隧洞是天生 桥二级水电站，长9 5 2 0 m ；直径最大的引水钢管是岩滩水电站，达1 0 8 m ； 水头最高的是广西天湖水电站，达1 0 2 4 m ；坝高最大的为二滩水电站，双 曲拱坝达2 4 0 0 m 。装机6 3 0 万k w 的龙滩水电站和1 8 2 0 万k w 的三峡水 电站正在建设当中，习前三峡电站的第一批机组已投产发电1 2 j 。金沙江上 总装机容量l8 6 0 万k w 的溪落渡和向家坝、大渡河上装机容量3 3 0 万k w 的瀑布沟等巨型水电站己先后立项、开工建设；雅砻江上总装机容量8 0 0 万k w 的锦屏一级和锦屏二级电站也已完成项目建议书开始筹备申请立 项。三峡、龙滩、二滩等大型水电站的建设，“西电东送”多项水电站建 设工程的开工，标志着我国的水电建设已进入到一个崭新的阶段。 1 1 2 水电站蜗壳的巨型化 随着科学技术的不断进步，世界各国的水电建设正经历着日新月异的 变化。高水头、大容量的水电站不断兴建，使得水轮机的单机出力也得到 了迅猛的提高，单机容量已从2 0 0 m w 左右提高到7 0 0 m w 以上【4 1 。随着 国内外大型常规电站和抽水蓄能电站的兴建，蜗壳的h d ( h 是指蜗壳承 受的压力，d 是指蜗壳进口断面的直径) 值急剧增长，蜗壳日趋向巨型和 第一章绪论 超巨型化发展。例如，前苏联布拉茨克电站，单机容量2 3 万千瓦， h d = 9 3 5 m m 2 ；萨扬舒申斯克电站，单机容量6 4 万千瓦，h d = 1 7 1 0 m m 2 ； 罗贡电站，单机容量6 1 5 万千瓦，h d = 2 2 4 7 m m 2 ，也是世界上h d 值最大 的蜗壳：我国的三峡水电站，单机容量7 0 万千瓦，h d = 2 1 3 5 m m 2 ；小浪底 水电站，单机容量3 0 万千瓦，h d = 1 3 3 7 m m 2 。表1 1 列出了一些国内外大 型水电站的蜗壳参数。 表1 一国内外部分大型水电站的蜗壳参数表 电站名称设计水头单机容量蜗壳进口直径钢板最大厚度 ( m )( m w )( m )( m m ) 三峡水电站1 7 57 0 01 2 27 0 龙滩水电站1 7 97 0 08 76 3 小浪底水电站1 1 23 0 0 7 24 0 龙羊峡水电站1 2 23 2 06 5 4 4 - 二滩水电站1 9 4 5 5 07 2 06 7 萨扬舒申斯克电站1 9 4 6 4 06 54 0 伊泰普水电站1 1 8 47 1 59 6 4 8 0 丘吉尔电站3 1 2 44 8 04 4 55 0 大古力i i i8 6 97 0 0 1 0 64 3 1 1 3 水电站蜗壳结构的研究课题与发展 蜗壳及外围钢筋混凝土组合结构是水电站厂房水下部分的重要结构。 前人对这种结构的实验与有限元分析已做过不少工作，但由于蜗壳结构复 杂，各工程之间受力差异很大，目前仍有许多问题需要研究，尤其是对大 中型水电站蜗壳结构的研究更为突出。 增加水轮机的出力是近代水轮机的主要发展趋向，尤其是近3 0 年来， 水轮机的单机容量已从2 0 0 m w 左右提高到7 0 0 m w 以上1 4 。单机容量的 增加虽然降低了水轮机的成本，但随之引起了一系列问题。仅就高水头、 大容量混流式水轮机蜗壳结构而言，其总重量达数百盹，钢板厚度超过了 6 0 m m 以上，致使蜗壳结构在设计、制造、成型、安装等方面出现了一系 列难以解决的问题1 1 9 1 。 采用钢蜗壳与外围钢筋混凝土联合承载结构，即在钢蜗壳与外围钢筋 混凝土之间不设软垫层，考虑让外围钢筋混凝土分担一定比例的内水压力 2 第一章绪论 荷载，有完全联合承载结构和部分联合承载结构( 即充水预压结构) 】。 完全联合承载结构：高水头大尺寸蜗壳的钢衬外围直接浇混凝士，允许 混凝土开裂，全部荷载由钢衬和外围钢筋混凝土共同承担。如前苏联的英 古里、努列克、萨扬舒申斯克和罗贡四座大型电站蜗壳都是属于这种完全 联合承载方式，类似大坝下游坝面管的结构型式。蜗壳钢衬的外围钢筋混 凝土中有贯穿裂缝，内宽外窄，经观测不再发展。以前还对裂缝灌浆，现 在也不进行灌浆了；部分联合承载：在浇筑蜗壳外围混凝土之前，根据 钢衬与外围钢筋混凝土荷载分配的要求，先对钢衬施加一定的内水压力。 在内水压力作用下钢衬已产生变位浇筑二期混凝土，待混凝土凝固后，将 蜗壳的内水压去掉，则在钢衬和混凝土间形成缝隙。这种型式使得钢衬与 座环连接处产生应力集中和固定导叶出现局部拉应力大的问题，因此还需 采取相应的工程措施，如加强局部配筋和加厚固定导叶断面等。联合承载 结构可充分发挥外围钢筋混凝土的潜力，达到减薄钢板厚度、改善蜗壳应 力状态的目的，收到安全和经济的双重效果。因此，联合承载结构是发展 高水头、大容量混流式水轮机组蜗壳结构设计的一种新途径i l 。 前苏联自上世纪6 0 年代就开始了对蜗壳联合承载结构的模型实验研 究，结果表明：钢蜗壳与外围钢筋混凝土处于联合受力状态时，几乎完全 消除了钢蜗壳上的弯矩及由此引起的弯曲应力，如当钢蜗壳单独承受内水 压力时其应力为5 6 0 m p a ，在钢蜗壳与外围钢筋混凝土之间设置软薄层时 其应力为3 18m p a ，当采用联合承载时为1 8 6m p a ：联合承载结构不会因 钢蜗壳钢板的焊接不良而产生比较太的峰值应力，而单纯的钢结构因焊接 不良会产生两倍于平均值的应力增长，以致造成蜗壳结构发生破坏。由于 蜗壳厚度的减薄使钢蜗壳在制造、成型、焊接、安装等方面也容易多了， 质量也容易保证：联合承载结构的受力状态十分复杂，应力中最主要的是 进口最大垂直剖面上的环向应力，模型实验中钢材达到屈服的结果表明这 种结构具有足够的强度安全系数【6 j 【7 】。 在我国，对蜗壳联合承载结构的研究始于8 0 年代初期，先后完成了 联合承载结构的平面和整体光弹实验研究；西北水电勘测设计院结合龙羊 峡水电站蜗壳结构进行了联合承载结构的大比尺原材料模型实验研究。自 9 0 年代初期以后，天津大学3 、武汉水利电力大学”1 、大连理工 大学“等单位，分别对国内在建的大型水电站的蜗壳联合承载结构开展 了深入的研究工作，在结构模型的建立与改进、联合承载结构的动静力有 限元分析、温度应力分析等方面均取得了开创性的成果。 第一章雏论 1 2 蜗壳外围混凝土的浇筑方式 从蜗壳组合结构的设计情况来看，根据国内外工程实际和施工经验， 目前水电站厂房钢蜗壳外围混凝土的浇筑方法主要有四种15 】【1 8 儿2 2 儿2 4 】： ( 1 ) 、在钢蜗壳上部敷设弹性垫层，然后浇筑混凝土( 弹性垫层蜗壳 型式) ； 采用这种型式的蜗壳，目的是为了使蜗壳内水压力不向外围钢筋混凝 土中传递，让蜗壳钢衬承受全部的内水压力，而结构自重和上部结构传来 的荷载由外围钢筋混凝土承担。我国以往建设的大、中型水电站的钢蜗壳， 大都用外加垫层的方法，在建的水电站蜗壳许多仍然采用这种结构型式。 因而这种结构型式的蜗壳，国内无论是在研究方法上，还是在实际工程建 设上，都有了比较成熟的经验和做法。 1 然而，钢蜗壳外面设一软垫层，将蜗壳与外面的混凝土块体隔开，认 为蜗壳与混凝土分别单独工作，按混凝土的应力状态配筋，与实际情况有 一定的差别。实验结果表明，由于垫层只是包在钢蜗壳的上半圆，而钢蜗 壳的下半圆与混凝土直接浇筑在一起，因此，下半圆联合作用部位处钢衬 应力，大约是上半圆应力的五分之一【”】。一般工程上为了改进这种不利的 局部应力现象，在这里加了一个钢性肋，使得这里的局部应力有所改善， 但是在加劲肋的后面，同样又出现了应力集中现象。因此对于高h d 的水 电站，一般都不采用弹性垫层蜗壳这种结构型式。 ( 2 ) 、钢蜗壳在承受一定内水压力下浇筑外围混凝士( 充水预压蜗壳型 式) ： 前已述及这种结构型式的蜗壳，就是在钢蜗壳内加一定预压水头后浇 筑蜗壳外围钢筋混凝土，在混凝土的整个凝固过程中( 如7 天左右) 保持 这一水压力。当卸去水压后，就在蜗壳钢衬与外围钢筋混凝土之间形成了 一个初始预压缝隙。这样，电站正常运行后，当蜗壳内水压力低于埋置钢 蜗壳时预加的水压时，蜗壳钢衬与外围钢筋混凝土未接触，内水压力全部 由钢蜗壳承担，而当蜗壳内水压力高于埋置钢蜗壳时预加的水压时，蜗壳 钢衬与外围钢筋混凝土贴合为整体共同工作，因此，高出的那部分水压由 蜗壳钢衬和外围钢筋混凝土共同承担。这也就是所谓的部分联合承载型 式。这种结构型式可以减小外围钢筋混凝土所承受的内水压力，以减少其 配筋量，增加机组的稳定性。对于高水头电站或容量较大的电站，采用这 种结构型式较为合适。 美国长期以来，多采用充水预压浇筑外围钢筋混凝土型式的蜗壳结 第一章绪论 构，如大古里电站等。加拿大对中高水头的大机组电站多采用充水预压的 蜗壳，如麦卡、拉格朗德二级、丘吉尔瀑布等大型水电站。在巴西，巨型 机组则采用充水预压的蜗壳，如伊泰普水电站，设计水头1 18 m ，在9 0 的最大静水压力作用下浇筑外围钢筋混凝土。西方的单机容量超过 5 0 0 m w 的水电站，如委内瑞拉古里等电站，都采用充水预压蜗壳【15 1 。另 外，一些高水头、大容量的可逆式抽水蓄能机组，也多采用充水预压蜗壳。 近年来，随着我国经济的发展和科学技术的进步，我国也开始采用充 水预压型式的蜗壳。如广州抽水蓄能电站、十三陵抽水蓄能电站、潘家口 抽水蓄能电站、二滩水电站、三峡水电站等。随着我国更多的高水头、大 容量常规电站和大容量抽水蓄能电站的建设，充水预压蜗壳在我国有更多 应用的趋势。因此，对于充水预压蜗壳结构型式，还有很多亟待解决的研 究课题。 我国目前实行的水电站厂房设计规范( s l 2 6 6 2 0 0 1 ) 中规定。“： 金属蜗壳与外围钢筋混凝土之间设有垫层时，对一般工程，外围钢筋混凝 士结构只承受结构自重和上部结构传来的荷载，内水压力全部由金属蜗壳 承担；对大型或高水头工程，外围钢筋混凝土结构除承受结构自重和上部 结构传来的荷载外，还要承受部分内水压力；金属蜗壳与外围钢筋混凝土 之间不设垫层时，宜采取蜗壳充水加压状态下浇筑外围钢筋混凝土。外围 钢筋混凝土结构除承受结构自重和外荷载外，还要承受部分内水压力。 ( 3 ) 、将混凝土直接浇筑在空蜗壳上( 完全联合承载型式) ： 这种结构型式是在钢蜗壳外直接浇筑外围钢筋混凝土，允许混凝土开 裂，荷载由钢衬和外围钢筋混凝土中钢筋联合承担，即钢衬钢筋混凝土型 式，钢蜗壳只承受部分内水压力，可以减薄钢板厚度，缓解钢蜗壳加工过 程中的技术困难。这种结构具有很大的刚度和很高的安全性，对机组运行 有利。但这种结构设计时需要更多的研究工作，钢蜗壳与外围钢筋混凝土 的设计必须紧密结合，统一进行。这种结构在巨型机组中已有了成功的经 验，但由于蜗壳内水压力传递到外围钢筋混凝土中的荷载较大，其配筋量 较多，施工难度较大，因此已建工程不多。前苏联对这种蜗壳结构型式研 究较多，并在克拉斯诺雅尔斯克、布拉茨克、萨扬舒中斯克、罗贡等巨型 电站中采用了这种蜗壳型式。采用这种型式的蜗壳，他们规定在钢蜗壳安 装以后浇混凝土以前，都要做水压试验，水压力是全部设计水压力( 包括 水击压力) 的3 0 ，以便检查钢蜗壳的安装质量。他们认为，在真正设计 水头下，整个结构是联合作用的，钢衬单独承受3 0 水压力时，其应力略 高于联合作用时钢衬内的应力【3 5 】。我国的鲁布革水电站，单机容量 第一章绪论 15 0 m w ，蜗壳设计内压4 3 l m 水头，钢蜗壳按单独承受全部内水压力设计， 但未考虑钢筋混凝土承受内水压力。北欧一些国家及日本在高水头抽水蓄 能电站中也采用过这种型式。 ( 4 ) 、采用预填骨料灌浆型式。 这种型式的蜗壳，只适用于一些中小型水电站，技术难度很小，这里 不做过多赘述。 1 3 预压蜗壳结构的特点及在我国的应用 1 3 1 充水预压蜗壳结构型式的特点 蜗壳结构是水电站结构中的重要建筑物，单机容量7 0 0 m w 左右电站中， 国内外主要采用充水预压或直接浇筑钢蜗壳外围混凝土的蜗壳结构型式“， 而充水预压蜗壳结构是目前广泛采用的型式( 除前苏联外，国外大都采用 充水预压蜗壳型式) 。我国现行水电站厂房设计规范规定。”，当金属蜗壳 与外围钢筋混凝土之间不设垫层时，宜采取蜗壳充水加压状态下浇筑外围 钢筋混凝土。 充水预压蜗壳的结构特点就是在钢蜗壳内加一定水压后浇筑外围钢 筋混凝土，混凝土凝固过程中保持这一水压力，这样，电站正常运行后， 当蜗壳内水压力低于埋置钢蜗壳时预加的水压时，内水压力全部由钢蜗壳 承担，而当蜗壳内水压力高于埋置钢蜗壳时预加的水压时，高出的那部分 水压则由蜗壳钢衬和外围钢筋混凝土共同承担。由于这种结构型式是部分 联合承载，因此与完全联合承载结构型式相比可以减少蜗壳外围钢筋混凝 土的配筋量，与垫层蜗壳相比又可以适当减薄蜗壳钢衬厚度，从而减小钢 蜗壳在制造、成型、焊接、安装等方面的困难。 充水预压蜗壳的运行特点在于，机组运行时，钢蜗壳能紧贴外围钢筋 混凝土，使得座环、蜗壳和外围大体积混凝土结合成整体，增加了机组的 刚性，能避免钢蜗壳在运行时承受动水压力的交变载荷和因此产生的变 形，增加了混凝土的抗疲劳性能；同时，依靠外围钢筋混凝土减少蜗壳及 座环的扭曲变形，从而减少机组振动和变形，有利于机组的稳定运行。另 外，由于充水预压，抵消了一部分由于蜗壳钢板拼装焊接而产生的残余应 力。因此，这种结构型式在大型水电站机组和高水头抽水蓄能电站机组中 得到了广泛的应用。 第一章绪论 1 3 2 充水预压蜗壳结构在我国水电站建设中的应用 经过统计，近年来我国采用充水预压蜗壳结构型式的主要大型电站见 表1 2 。 表1 - 2我国采用充水预压蜗壳型式的主要大型电站 电站名称蜗壳直径单机容量设计水头预压水头 ( m ) ( m w )( m ) 、 ( m ) 三峡水电站 】z 27 0 0】7 57 0 二滩水电站 7 2 05 5 02 3 l1 9 4 广蓄一期 2 3 13 0 0 5 4 02 7 0 广蓄二期 2 0 93 0 06 2 04 5 0 天生桥二级 2 2 02 7 02 0 5 潘家口蓄能电站 4 79 01 2 06 0 十三陵蓄能电站 1 7 52 0 04 8 12 0 0 天荒秤蓄能电站3 0 0 8 0 03 4 0 下面简要介绍我国几座抽水蓄能机组充水预压蜗壳结构的概况。 、潘家口水泵水轮机蜗壳【5 】 潘家口电站安装一台容量为1 5 0 m w 常规机组和容量为9 0 m w 的三台 抽水蓄能机组。抽水蓄能机组最大静水头为8 5 7 m ，考虑水击蜗壳内最大 水头为1 2 0 m 。机组由意大利d p e w 公司提供，蜗壳进口直径4 7 m ，蜗 壳平面包角3 4 5 0 ，钢蜗壳作为机组附件，由厂家提供。钢蜗壳材料相当国 产1 6 m n 钢材，按1 2 0 m 水头设计，钢蜗壳厚度为2 5 m m 。为了检查焊接 和安装质量，按1 5 倍最大水头( 1 8 0 m ) 进行现场压水试验。原制造单位 要求，蜗壳在运行中单独承受最大水头的二分之一( 6 0 m 水头) ，超过6 0 m 水头则由钢蜗壳和外围钢筋混凝土结构共同承担内水压力。由于设计时间 较早，在钢蜗壳外围钢筋混凝土配筋计算中，仍采用简化的平面等截面框 架和6 0 m 以上水头内水压力不计钢蜗壳承担内水压力，全由外围钢筋混凝 土结构承担，因而配筋量是偏大的。 、广州抽水蓄能电站水泵水轮机蜗壳【9 1 广州抽水蓄能电站位于广东省从化县吕田镇，是广东大亚湾核电站的 配套工程，担负华南电网填峰填谷任务。该电站是我国第一座高水头大容 第一章绪论 量抽水蓄能电站，一期工程四台机组均由法国c e g e l e c 总承包，其中主 要供货厂家有n e y r p i c 的水泵水轮机及附属设备，a l s t h o mj e u m o n t 的电动发电机。总装机容量为2 4 0 0 m w ，电站分两期建设，i 、i i 期地下 厂房分别装四台3 0 0 m w 可逆式水泵水轮发电机组。水轮机工况最大静水 头5 3 7 18 米，水泵工况最大扬程5 5 0 0 1 米。 水泵水轮机主要参数如下： 型式：竖轴、单级、混流式 工作水头：水轮机工况4 9 6 5 3 7 1 8 m ；水泵工况5 1 4 4 5 5 0 0 1 m 蜗壳进口直管段内径2 3 m 钢蜗壳进口直管段厚度8 0 m m 机组蜗壳为钢蜗壳( 厚度为3 5 8 0 m m ) ，本身能承受最大静水头的l ，5 倍，由于稳定需要与混凝土联合作用，因此混凝土承受内水压力。施工中 钢蜗壳内预加静水压2 7 0 米( o 5 倍设计水头) 再浇混凝土，稳压7 天， 运行时承受全水头及机组荷载。机组采用进口下拆方式，孔洞较多，结构 复杂。 - 该抽水蓄能电站蜗壳混凝土与钢衬联合作用的结构力学模型及荷载情 况都十分复杂，与常规机组有很大差异。为此，广东省水利电力勘测设计 院委托天津大学水资源与港湾工程系对广州抽水蓄能电站蜗壳进行空间 有限元计算研究，其内容包括： a 、蜗壳混凝土结构，在机组正常运行工况、甩负荷工况及施工工况 下的应力分布情况； b 、蜗壳混凝土与下游岩石交界面的剪应力分布情况，并对蜗壳的稳 定作出判断。 ， c 、通过计算对结构配筋提出建议。 计算采用s a p 5 程序，经过分析检验，计算成果、应力分布规律合理， 平衡误差在4 6 范围内，说明成果无误。 十三陵抽水蓄能电站充水预压蜗壳畸钔 十三陵抽水蓄能电站位于北京市昌平县内，安装四台可逆式水泵水轮 发电机组，总装机容量为8 0 万k w 。水轮机工况最大净水头为6 9 0 米。蜗 壳为钢蜗壳( 厚度为2 7 1 9 m m ) ，由于稳定需要与混凝土联合作用，因此 混凝土承受内水压。施工中钢蜗壳内预加压水头为2 0 0 米，再浇筑混凝土， 运行时承受全水头及机组荷载。机组孔洞较多，结构复杂。该抽水蓄能电 站要求蜗壳钢衬与外包混凝土联合作用，共同承担内水压及其它荷载。其 力学模型相当复杂，与常规机组有很大差异。 第一章绪论 1 4 本文的研究工作 水电站厂房结构型式复杂，特别是蜗壳及外围钢筋混凝土的结构和作 用机理更是复杂，应力分析难度很大。过去我国对圆形过水断面的钢衬钢 筋混凝土蜗壳，多采用上半圆钢衬和钢筋混凝土之间加弹性垫层，假设钢 衬承担全部内水压力，上部结构重量及机组等荷载由外包钢筋混凝土承 担。而近年来随着我国更多大容量、高水头常规机组和大容量抽水蓄能机 组的建设，充水预压蜗壳的结构型式在我国的应用越来越多。充水预压蜗 壳结构复杂，如何对其建立合理的有限元模型，模拟其实际运行的全过程， 进行有效的有限元分析，是至今尚未很好解决的课题。选择合理的预压水 头，使钢蜗壳和外围钢筋混凝土都比较充分的发挥作用，是一个值得进一 步研究的问题。充水预压蜗壳是部分联合凝载结构，从理论上讲，钢蜗壳 可以按照其实际分配到的荷载来设计，而且其承担荷载的大小可以通过充 水的压力值来可靠调节，这样就可以减薄钢蜗壳，缓解其制造、安装的困 难，并使钢蜗壳与外围钢筋混凝土都比较充分地发挥作用，取得最优的组 合。目前，采用充水预压的钢蜗壳仍然按单独承受全部设计压力( 包括水 击压力) 来设计，其钢衬厚度并不因为联合承载而减少。因此本文针对充 水预压蜗壳结构的研究现状和存在的主要问题，在分析总结前人工作的基 础上，做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 、本文以龙滩水电站为背景工程，蜗壳结构采用充水预压结构型式， 针对其复杂的厂房结构，应用a n s y s 程序，建立了充水预压蜗壳结构的 应力仿真计算的整体三维有限元模型，给出了充水预压蜗壳结构的应力分 布规律和变形情况，并据此给出了外围钢筋混凝土的配筋量建议。并将结 果与传统算法比较，以探讨两种算法在工程上应用的可靠性和可行性。 ( 2 ) 、应用前述研究的充水预压蜗壳结构的应力仿真算法，针对龙滩水 电站厂房结构，采用不同的充水预压值对其进行三维有限元分析，研究在 不同的充水预压值下钢蜗壳和外围钢筋混凝土的应力分布规律，并经过比 较提出合理的充水预压值。 ( 3 ) 、针对充水预压蜗壳结构，为了使钢蜗壳和外围钢筋混凝土都比较 充分的发挥作用，在充水预压值选定的情况下，在保证工程安全运行的前 提下，通过理论分析和实际应力计算，减薄一定的钢衬厚度，探讨“以钢 筋代钢板”情况在技术上及经济上的可行性。 9 第二章蜗壳结构的研究理论及其在工程上的应用 第二章蜗壳结构的研究理论及其在工程上的应用 2 1 蜗壳结构的设计理论 蜗壳结构是水电站厂房最重要的部分之一，由于蜗壳钢衬和外围钢筋 混凝土结构的工作特性、结构型式、尺寸等均直接影响厂房结构和发电机 组的运行安全，为了选择合理的结构型式，保证整个结构在各种工况下都 能安全运行，并验证拟采用的结构方案的可行性，以及为优化设计提供可 靠依据，需要对厂房的蜗壳结构型式及其受力特性进行分析研究。 国内外对大型蜗壳结构的研究与实践是伴随着大型常规电站和抽水蓄 能电站的建设而开展起来的【”】。巨型水轮机的研制及其在工程中的广泛应 用，促使人们对蜗壳及其联合承载结构进行了一系列的研究以期解决由此 产生的经济及技术难题。 水电站蜗壳结构的几何形状非常复杂，蜗壳顶部的定予基础、下基架 基础、制动闸基础及风罩壁等均为圆柱形块体结构，而钢蜗壳本身又是一 个不规则的、厚度渐变的壳体结构，其外围大体积混凝土中又开有机墩进 人孔及操作廊道、检修廊道等各种廊道，加上水轮机层、电缆层和发电机 层的立柱、横梁、楼板、吊物孔及不规则的尾水管空腔结构，作用因素极 其复杂，受力分析十分困难，而且模型实验的难度也相当大，因此，蜗壳 结构的设计及受力分析，还只是近似的、不完善的理论和方法。 到目前为止，国内外蜗壳的工程设计仍然以线弹性理论为基础。采用 充水预压的蜗壳仍然按单独承受全部设计压力来设计。北欧、日本等曾采 用“双重设计”的蜗壳，即钢蜗壳与外围钢筋混凝土分别都按承受全部内 水压力设计，其安全性是很高的，但造价高，花费太大。我国现行水电站 厂房设计规范规定o “：金属蜗壳与外围混凝土之间设有垫层时，对一般工 程，外围混凝土结构只承受结构自重和上部结构传来的荷载，内水压力全 部由金属蜗壳承担：对大型或高水头工程，外围混凝土结构除承受结构自 重和上部结构传来的荷载外。还要承受部分内水压力；金属蜗壳与外围混 凝土之间不设垫层时，宜采取蜗壳充水加压状态下浇筑外围混凝土。外围 混凝土结构除承受结构自重和外荷载外，还要承受部分内水压力。金属蜗 壳外围混凝土结构不考虑与金属蜗壳联合作用时，内力计算可选择几个控 制断面，切取平面框架简化计算或按平面有限元计算，对大型工程宜进行 三维有限元分析。 1 0 第二章蜗壳结构的研究理论及其在工程上的应用 蜗壳结构为一空间受力结构，对蜗壳外围钢筋混凝土的计算，目前工 程上采用的主要有两种方法：“r 1 ”形框架法、有限元法。 2 2 “r ”型框架法简介瞳1 2 2 1 计算简图 在以往的工程设计中，金属蜗壳外围的混凝土计算，通常简化为平面 “r ”形刚架，如图2 - 1 ( a ) 。刚架一端简支在水轮机的座环上，另一端固 定在大体积混凝土上。“r ”形刚架的厚度一般只考虑蜗壳外围混凝土最 薄处，杆件计算长度取截面中心线长度。计算时往往就蜗壳墙中心线取单 位宽度1 m 来计算，所取的剐架的水平杆实际上是一个沿径向的扇形，如 图2 - 1 ( b ) 。画有阴影线部分的机墩加段长度上的均布荷载q o ，应折算为 单宽等于1 m 时的均布荷载q 。但两者的总荷载应相等，即q 1 = a b x q 。 转化后的荷载可写成： ：_abg。：生g。(2-q 1 ) 2 t g 。2 ：g 。 u 由于蜗壳的尺寸和其外围混凝土的厚度，在水平面内是变化的，所以 通常要分别取四个断面进行计算其内力和配筋，如图2 1 ( c ) 。 座 环 蜗壳墙 t 1 1 、j 、h 。 2 2 2 荷载 图2 - 1金属蜗壳外围混凝土计算简图 ( 1 ) 机墩传下的荷载。就是机墩底部的轴向力和弯矩。将此荷载换算 为线性分布荷载，利用偏心受压构件公式分别计算机墩内外缘荷载。在 “r ”形刚架的铰支座处，其线性荷载可按比例求出。 第二章蜗壳结构的研究理论及其在工程上的应用 ( 2 ) 水轮机层的活荷载。它作用在机墩以外的“r ”形刚架的水平杆 上，化为线性荷载。 ( 3 ) “r ”形刚架水平杆的自重。 把以上三项荷载，按其作用位置叠加，即得“r ”形刚架的作用荷载， 如图2 2 所示的荷载图。说明如下： ( 1 ) 在铰支座处荷载为q 。，q 等于“r ”形刚架水平杆自重加上机墩 传到铰支座的荷载。 ( 2 ) 在机墩外缘处荷载为q 。，q ：等于“r ”形刚架水平杆自重加上机 墩传到其外缘的荷载。 ( 3 ) 在机墩以外的r ”形刚架上荷载为q 。，q 。等于“r ”形刚架水平 杆自重加上水轮机层的活荷载。 图2 - 2作用在“i t , ”形刚架上的荷载图 2 3 有限元法 随着现代工程结构复杂程度的提高，为了能较好的解决这类形状及受 力都很复杂的结构，利用有限元法分析复杂结构已经成为工程实践中广泛 使用的一项数值计算方法，且随着各种大型通用有限元软件的不断开发升 级和大量高精度单元的引入，有限元计算结果的精度也越来越高。有限元 法的优点在于，它能很好的模拟各种复杂的边界条件及力学模型，因而其 结果能比较真实的反映结构的实际受力特征。 第二章蜗壳结构的研究理论及其在工程上的应用 2 3 1 有限元法的发展”m 7 1 9 4 3 年库兰特( c o u r a n t ) 首先提出用假设的小块函数的集合来代替 被积函数，这些小块函数通过插值法以节点值表达，这里已出现了有限元 法的端倪。其后不久，h r e n i k o f f 、m e h e n r y 与n e w m a r k 又进一步发展了 这种离散化的概念，提出了结构模拟方法。1 9 5 4 年，阿古列斯( a