（水工结构工程专业论文）多种荷载工况下复杂结构渐进优化设计应用研究.pdf

摘要 摘要 结构优化是近几十年来发展起来的一门新技术。在结构设计中采 用优化方法，可以提高设计质量，加快设计速度。据统计，与传统设 计方法相比，优化设计可以使工程造价降低5 2 5 ，从而带来巨大 经济效益。 传统的结构优化主要工作包括选定设计变量，建立约束方程，选 择目标函数，然后求解由约束方程和目标函数组成的非线性微分方程 组。这种优化方法在求解多种荷载工况下复杂结构的困难在于优化变 量多，目标函数复杂，并且求解困难。因此，本文进行了渐进优化设 计方法在多种荷载工况下复杂结构设计中的应用研究。渐进结构优化 是利用有限元法和渐进法逐步把结构中应力较小的单元剔除，以达到 结构优化的目的。与传统的结构优化相比，渐进优化不需要建立复杂 的目标函数，也不用求解复杂的非线性方程组，但却能解决复杂结构 的优化问题。 本文采用渐进优化设计方法利用大型软件包a n s y s 程序对国内 广西下福水利枢纽工程水电站主厂房混凝土结构进行了优化设计应 用研究。论文工作主要有三部分： 1 学习研究有关设计规范，研究广西下福水利枢纽工程水电站 主厂房的地质条件，对该工程的结构、功能设计要求以及工况进行研 究。在此基础上建立结构优化计算模型，选取设计参数和材料参数。 2 利用a n s y s 程序，在各种复杂的荷载工况及其组合下对结构 进行三维空间有限元分析，即建模，分网，加载，求解。经过后处理， 得到结构的受力分布情况。 3 优化调整结构方案。将求解得到的整个结构的应力分布云图 进行研究，分析了厂房混凝土结构各个部位的受力情况，应力分布规 律，将混凝土强度没有充分发挥和受力不合理的部位尺寸进行适当调 整，对于调整后的方案，再进行计算。通过两次结果数据对比，直至 结构受力更加合理，材料强度得到充分发挥，满足规范要求。 通过本文对国内广西下福水利枢纽工程水电站主厂房混凝土结 北京工业大学工学硕士学位论文 构的渐进优化设计研究，节约6 7 0 2 0 x 1 04 立方米混凝土方量，同时 结构在优化后模型的应力分布更加合理，使混凝土材料强度得到充分 发挥。 本论文研究表明结构渐进优化设计方法可利用大型软件a n s y s 程序包进行多种荷载工况下复杂结构优化设计。这种方法的最显著特 点就是避免了传统优化方法中建立、求解复杂目标函数的工作，简单 易于操作。尤其对于大体积混凝土结构适用性较强，易于工程技术人 员掌握，便于推广。因此，本文所建议的优化设计方法具有重要工程 应用价值。 关键词结构优化；有限元；a n s y s ；应力云图 玎 a b s t r a c t a b s t r a c t s t r u c t u r eo p t i m iz a t i o nt e c h n o i o g yisd e v e l o p e di nt h el a s t s e v e r a ld e c a d e s s t r u e t u r ed e s i g nq u a l i t ya n de f f ic i e n c ie se a r l b e i m p r o v e db yu s i n go p t i m iz a t i o nm e t h o d s t a t i s t i c a l l y ， c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld e s i g n i n gm e t h o d ，i t c a r lr e d u c e 5 - 2 5 o fe n g i n e e r i n gc o s t t r a d i t i o n a ls t r u c t u r eo p t i m iz a t i o nm e t h o dn e e d st oc h o s e d e s i g n in gv a r i a b l e s ，f o r m u l a t ec o n s t r a i n i n ge q u a t i o n s a n d t a r g e tf u n c t i o n ，a n ds 0 1 v eas e to ft h es i m u l t a n e o u sn o n l i n e a r d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sc o m p r i s e do fc o n s t r a i n i n ge q u a t i o n s a n dt a r g e tf u n e t i o n t os o l v et h e s ee q u a t i o n so fe x c e s s i v e v a r i a b le sa n dc o m p l ic a r e dt a r g e tf u n e t i o nisv e r yd i f f i c u l t b u te v o lv i n go p t i m iz a t i o nt a k e sa d v a n t a g eo v e rt r a d i t i o n a l s t r u e t u r eo p t i m iz a t i o nm e t h o d i tc a ne i i m i n a t el o w e rs t r e s s e 1e m e n t s u s i n gf i n i t e e l e m e n ta n a l y s ist ot h es t r u c t u r e o p t i m iz a t i o n t h i s e v 0 1 v i n go p t i m i z a t i o nc a nb ee a s yt ob e a p p l ie dt oc o m p l i c a t e ds t r u c t u r eo p t i m iz i n gp r o b l e m sn e i t h e r t ob u i l d t a r g e tf u n e t i o n ，n o r s o l v ec o m p l ic a t e dn o d l i n e a r e q u a t i o n s i nt h is p a p e rt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h o ft h ee v o l v i n g o d t i m iz a t i o nm e t h o dise x e c u t e db a s e do nt h ep o w e rb u i l d i n g o fg u a n g x ix i a f uh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g t h i sw o r kin c l u d e s t h r e ep a r ts ： 1 s t u d y t h eh y d r a u l i cd e s i g n i n gc o d e s ，t h ee n g i n e e r i n g g e e i o g i c a lc o n d i t io n s ，i o a d i n gc o m b i n a t i o n s ，e h o s ed e s i g n i n g p a r a m e t e r s a n dm a t e r i a lp a r a m e t e r s ：b u i l dp h y s i c a lm o d e l a c c o r d i n gt od e s i g n i n ga n do p t i m iz i n gr e q u i r e m e n t s 2 a d o p ta n s y s s o f tp r o g r a me n v i r o n m e n tt ob u i i dn u m e r i c a l c o m p u t i n gm o d e l ，e x e c u t e t h r e ed i m e n s i o nf i n i t e e 1e m e n t i 北京工业大学工学颐士学位论文 a n a l y s is ，t h a t is ，b u i l d i n gm o d e l ，p l o t t i n ge 1e m e n t g r i d s 1 0 a d i n g ，a n ds o l v i n g ，t h e np o s tp r o c e s s i n g ，t om a ps t r e s s d is t r i b u t i o n 3 a c c o r d i n gt o t h es t r e s sm a p st o c a r r yo u t t h es t r u c t h r e a n a l y s is ，a d j u s ts t r u c t u r e1 a y o u ta n dd i m e n s i o n s r e c o m p u te d t os t f u c t u r eo p t i m iz a t i o n ，a n dm e e tt h er e q u i r e m e n to f e n g i n e e r i n g t h r o u g ht h er e s e a r c h i n go nt h ep o w e rb u il d i n go fg u a n g x i x i a f uh y d r a u l ice n g i n e e r i n g a b o u t6 7 1 04 m 3c o n c r e tec a nb e s a v e d t h ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r e l a y o u ta n d i t ss t r e s s d is t r i b u t i o nt e n dm o r er e a s o n a b le t h e s t u d y i n gs h o w s t h a tt h ee v o l v i n go p t i m iz a t i o nis l e a s i b l et o a p p t y1 a r g es c a l eo fc o m p l i c a t e dh y d r a u l i c e n g i n e e r i n g ，a n de a s yt oo p e r a t eb ye n g i n e e r s k e y w o r d s ：s t r u c t u r eo p t i m iz a t i o n ： f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n s y s ：s t r e s sm a p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲盟导师勰触嗡丝夕g 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 背景与研究现状 通常在结构设计中，人们希望在给定的荷载条件下得到安全、经 济的最优设计方案。为了达到这个目的，传统的办法是采用重复设计 法。首先，根据同类型结构设计的已有经验，再加上设计者的判断， 拟出初步方案，然后进行结构的强度、刚度和稳定性的计算分析。设 计人员根据对有关成果的分析来修改设计方案，对修改后的方案再进 行计算分析，然后再修改结构设计。这样反复计算、修改，直到得出 满意的设计方案为止。 这种重复设计方法有两方面缺陷。一方面设计繁复，效率低下； 另一方面，一般设计单位不大可能花费大量的人力和时间去进行多方 面的比较，往往最终确定的方案并非理想的可行方案。最终方案的经 济合理性多受初始方案的影响，并且在很大程度上取决于设计者的经 验。也就是说，重复设计方法所得的最终方案是受设计者的经验和判 断力影响较大的较优方案。它的确定往往伴随一定程度的主观随意 性，并非纯由工程客观条件所决定的最优方案。不同的设计人员，在 相同的工程客观条件下，有可能的得出不同的设计方案。 其实，人类通过工程实践，很早便产生了优化设计的构思，如早 期的等强度梁、米歇尔行架的理论研究等。但是，结构优化只是近几 十年才作为一门独立的学科出现，这与其它有关的学科技术的发展是 分不开的。 6 0 年代两门学科的发展给结构优化的发展提供了重要的基础。 一个是有限元法的发展，解决了复杂结构的分析问题，为优化设计提 供了前提；另一个是运筹学中数学规划方法的发展，为结构优化提供 了许多有效的数学方法。而电子计算机的发展，又为结构优化提供了 高效能的计算工具，使得对大型工程结构进行优化成为可能。在上述 三个因素的促进下，结构优化在近几十年发展很快。 结构优化的发展和应用将使结构设计达到新的阶段，利用优化方 法和电子计算机计算，可迅速求出给定条件下的最优设计方案，使设 北京工业大学工学硕士学位论文 计人员从繁琐的重复设计中解放出来。为了达到这一目的，在结构设 计中采用优化方法，从已有的经验来看，与传统设计方法相比，优化 设计可以使工程造价降低5 2 5 ，从而带来巨大经济效益。 总体说优化分为三种，一是构件截面尺寸的优化，二是结构形式 的优化，三是结构的拓扑优化。构件截面尺寸的优化是指在结构类型、 材料、布局、轮廓几何形状已定条件下，求结构各单元的最优截面尺 寸。如对节点位置已定的行架或刚架求各个构件最优界面尺寸，对坝 体中面几何形状已定的双曲拱坝求坝体厚度，等等。对这类问题，近 些年研究较多，理论及方法己渐趋成熟，在某些领域的应用已见成效。 虽然在如何提高计算效率等方面还有些工作可做，但重点应放在推广 应用方面。结构形式的优化是指在结构类型、材料、形状等条件一定 时，对结构布置形式进行优化设计。例如，对布局已定的行架或刚架 的节点位置及截面尺寸进行优化。对双曲拱坝的中面几何形状及坝体 厚度进行优化，等等。拓扑优化就是对结构的构件布局和节点连接关 系进行优化。比如一个行架结构，应分为几个节间? 各结点之间如何 联结? 等等。结构拓扑优化是较为复杂，尚有许多问题有待解决。 传统的优化方法可分为三个阶段。第一个阶段是建立数学模型， 把一个工程结构的设计问题变成一个数学问题；第二个阶段是选定一 个合理的、有效的计算方法；第三个阶段是编制实用优化计算程序。 建立结构优化的数学模型是将实际工程中的结构优化设计问题转化 为数学问题的一个非常重要的步骤。它包括选定设计变量，选择目标 函数，建立约束方程等内容。目标函数是指优化设计所追求的目标， 它是设计变量的函数，是人们用来衡量设计好坏的一种指标，采取什 么样的指标来反映设计好坏的程度比较恰当，显然与结构本身的技术 经济特性有关。通常采用的目标函数有： 结构重量， w = p f ，i a ， ( 1 一1 ) i = i 式中，p ，、，i 、a ，分别为杆件比重、长度及截面积。 第1 章绪论 结构体积， v = ，一， 式中，、a 。分别为构件i 的长度及构件i 的截面积。 结构造价， c = q ，4 式中，c ，为构件i 的单位体积造价。 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 对于比较简单的结构是容易求得的，但是实际工程中的结构通常 是比较复杂的，直接求取目标函数的方法对于有些结构如电站厂房不 太适用，而且效率也较低，比较费时。设计变量是在优化过程中所要 选择的量，通常用 ，x 2 ，x 3 c * x 。表示，并构成一个向量 x = x lx 2x 3 x n r 。 优化的目的就是要寻找这些变量的最优组合。如何选用设计变量 是个重要的问题。设计变量通常有连续变量和离散变量两种类型。连 续设计变量，在优化过程中是连续变化的，在优化中处理这类变量比 较方便，设计变量的数目也可能少一些，对于拱坝等体形复杂的结构， 采取连续设计变量易于保证外形的连续性。离散设计变量，在优化中 是跳跃式变化的，如供选用的型钢的截面积及钢筋直径都不是连续 的。在优化中对离散设计变量的处理比连续设计变量要困难一些。一 种办法是直接按变量离散变化的情况逐个选取，这在变量数目不多， 问题较简单时可以采用。对于变量数目较大、问题较复杂的情况，往 往采用离散变量连续化的方法，以简化计算。约束条件一般有几何约 束和性态约束条件两种。几何约束条件即在几何尺寸方面对设计变量 加以限制。几何约束条件是根据使用及工艺要求而提出的，一般比较 简单，可以用数学表达式表示，是显式约束。性态约束条件是对结构 的工作性态所施加的一些限制。对于实际的工程结构，性态约束往往 是隐式约束。 北京工业大学工学硕士学位论文 从6 0 年代初坝的非线性规划引入结构优化设计领域后，人们曾 把数学规划中已有的各种方法拿来使用，对一些比较简单的问题得到 了很好的解答，但当用于实际工程中比较复杂的结构时，却遇到了以 下几方面的困难：设计变量太多，结构优化设计中的计算量往往随着 设计变量数目的增加而急剧增加，实际工程结构中的设计变量数目， 少则几十个，多则几百甚至上千个，因而是计算量十分庞大；约束条 件太多，在结构优化设计中，自振频率及整体失稳等整体性的约束条 件的数目一般为数不会太多。但局部性的约束条件如应力、局部失稳 等，其数目往往十分庞大：应力重分析次数太多，在用数学规划方法 求解结构优化问题时，往往要进行几百次乃至上千次的应力重分析， 而实际工程结构中，应力通常是设计变量的隐函数，每次分析都要求 解一个大型代数方程组，因而要花费很长的计算时间“1 。 在7 0 年代，为了克服上述困难，人们从工程与力学观点出发， 研究出了许多策略和技巧，使设计变量数目、约束条件数目和应力重 分析次数都大大减少，从而有利于各种复杂结构的优化设计能够顺利 进行，但是在实际工程结构的优化设计中还存在不少问题。 实际上，工程应用中的些优化方法通常是先建立它的几何模 型，然后按照实际工况施加荷载，边界条件，求解，最后，根据工程 经验对求解结果进行分析，对于结构上应力较小的部位尺寸进行调 整，必要时对布置形式进行修改方案以达到尽可能优化的目的。 随着科技进步以及软件业的迅猛发展，这个过程中的相当一部分 工作已经被计算机所代替，因为对于一些庞大的建筑物，采用试验模 拟是不现实的，而采用常规的分析办法也不能得到满意的结果。现在 普遍采用的方法是数值模拟技术即计算机仿真，其中以有限元分析为 最普遍。有限单元法是目前解决复杂空间结构的力学分析问题中最有 效的数值方法之一”1 。由于它能方便地处理各种复杂的边界条件和荷 载条件、考虑十分复杂的物理力学参数，以及根据结构的实际布置形 式和变形受力特点，采用不同类型的单元进行离散，提高计算效率和 计算精度，因而被越来越普遍地应用于工程设计和计算分析a 第1 章绪论 1 2 本文所做工作 目前结构优化理论非常丰富，其中大部分是以寻找目标函数为切 入点，理论上较抽象，数学性强，计算过程复杂繁琐。这种方法对于 一般工程技术人员不容易理解和掌握，而且耗时较长，不利于推广。 工程中一些结构如大体积混凝土结构的设计仍然是按照规范和经验 进行的，方案较保守，经济上也不合理。因此，本文以广西下福水利 枢纽工程水电站主厂房混凝土结构优化设计为依托进行了渐进优化 设计方法在多种荷载工况下复杂结构设计中的应用研究。渐进结构优 化是利用有限元法和渐进法逐步把结构中应力较小的单元剔除，以达 到结构优化的目的。研究探索工作有以下几个方面： i 学习研究有关设计规范，研究广西下福水利枢纽工程水电站 主厂房的地质条件，对该工程的结构、功能设计要求以及工况进行研 究。在此基础上建立结构优化计算模型，选取设计参数和材料参数。 2 根据工程设计要求和选取的结构计算模型，利用a n s y s 程序对 该结构在各种复杂的荷载工况及其组合下进行三维空间有限元分析， 即建模，分网，加载，求解。经过后处理，得到结构受力分布情况。 3 将求解得到的整个结构的应力分布云图进行研究，分析了厂 房混凝土结构各个部位的受力情况，应力分布规律，将混凝土强度没 有充分发挥和受力不合理的部位尺寸进行适当调整，对于调整后的方 案，再进行计算。通过前后两次结果数据对比，直至结构受力更加合 理，材料强度得到充分发挥，满足规范要求。 通过本文对国内广西下福水利枢纽工程水电站主厂房混凝土结 构的渐进优化设计研究，优化前混凝土方量是6 4 6 7 2 0 l o6 立方米， 优化后混凝土方量是5 7 9 7 0 1 0 5 立方米，节约6 7 0 2 0 1 04 立方米 混凝土方量，同时结构在优化后模型的应力分布更加合理，使混凝土 材料强度得到充分发挥。 本论文研究表明结构渐进优化设计方法可利用大型软件a n s y s 程序进行多种荷载工况下复杂结构优化设计。这种方法的最显著特点 就是避免了传统优化方法中建立、求解复杂目标函数的工作，简单易 北京工业大学工学硕士学位论文 于操作。尤其对于大体积混凝土结构适用性较强，易于工程技术人员 掌握，对于工程设计具有一定的实用价值，便于推广。 第2 章贯流式机组厂房设计 第2 章贯流式机组厂房设计 2 1 水电站厂房功能 水电站厂房是水电站生产电能的主体建筑物，按建筑物的不同功 能及机电设备的性质和作用，可分为主厂房( 包括主机房和安装间) 和副厂房两部分。主厂房布置水轮发电机和直接与机组运行有关的 机电设备，副厂房布置其他机电辅助设备和修理、实验、工具间、 办公和生活设施等“1 。厂房布置的任务就是根据厂区布置形式、电 站主接线方式、机电设备的性质、作用、相互关系等，合理安排机 电设备在主副厂房中的位置，同时采取合理的结构布置措施，创造 良好的运行、工作、安装和检修条件，以保证电站安全、可靠、正 常地运行。它的形式往往是随不同的地形、地质、水文等自然条件 和水电站的开发方式、水能利用条件、水利枢纽的总体布置而定。 在布置上一般分为立式机组厂房布置和卧式机组厂房布置1 。 2 2 贯流式机组 贯流式属于卧式的一种，是指采用贯流水轮发电机组开发低水 头水力资源而建造的水电站。这种水电站的枢纽布置、厂房结构设 计、动能经济计算、装机规模与机型选择计算等等与常规电站相 比，有不同的要求和特点“1 。贯流式水电站一般处于地形比较平坦， 离城镇比较近，水量比较丰富的地点，形式一般采用河床式布置， 厂房是挡水建筑物的一部分，厂房顶有时也布置成泄洪建筑，由于 水头较低，档水建筑物大部分采用当地材料坝，以土石坝为主。广 东的白垢贯流式水电站则采用橡胶坝作为挡水建筑物，在洪水期则 作为泄洪建筑，降低了工程投资。有的电站由于河流地形、地质条 件的特点，也采用引水式布置，如我国四川安居、湖南南津水电站 则采用明渠引水式的布置。贯流式水电站也常有航运、港口、通航 的要求，枢纽中设有船闸、升船机等建筑。贯流式机组是水轮发电 机组中一种设计、制造、安装难度最大的低头机型，技术水平和制 造能力等要求较高，但是它的厂房在布置上省去了高大的弯肘型尾 北京工业大学工学硕士学位论文 水管和混凝土蜗壳，贯流式机组本身尺寸也较小，可以减少厂房基 础开挖深度和机组中心间距，从而缩小厂房的长度和高度，因而工 程量较少、建设周期短、见效快，便于集资，多用于低水头、大流 量的平原河流电站和潮汐电站”1 。当河床较为狭窄时，有利于枢纽 的布置。有全贯流式，轴贯流式，灯泡贯流式以及竖井半贯流式机 组等几种，目前以灯泡贯流式机组采用较多。从2 0 世纪6 0 年代开 始，水头在2 5 m 以下的水电站，国际普遍采用贯流式水电站，贯流 式水电站，贯流式水轮发电机组的单机容量也越来越大。1 9 8 9 年日 本投运的只见水电站，贯流式机组的机组出力已达6 5 m w ，水轮机转 轮直径6 7 m ：1 9 8 5 年美国投运的悉尼墨累贯流式水电站水轮机转轮 直径达8 2 m ，单机容量2 4 m ! f ，共八台；1 9 8 3 年加拿大投运的安纳 波利斯潮汐电站，采用全贯流式潮汐水轮发电机组，转轮直径7 6 m ， 额定出力1 7 8 m w 。我国低水头水力资源十分丰富。尤其是华东、中 南等沿海地区，工农业生产发达，用电量大，但能源紧缺，为满足 需要开发利用低水头水力资源已引起各方面关注。贯流式机组是开 发低水头水力资源较好的方式，一般应用于2 5 m 水头以下。据不完 全统计，我国经过规划的，水头在2 5 m 以下，规模在2 5 m w 以上的水 电站，总计约1 3 4 0 0 m w ，年发电量约6 0 0 亿k w h ，还有大量的2 5 m w 以下小型贯流式水电站和潮汐电站，有很好的发展前景“1 。贯流式 水电站与中高水头水电站、低水头立轴的轴流式水电站相比，具有 如下显著的特点： ( 1 ) 电站从进水到出水方向基本上是轴向贯通。如灯泡贯流式 水电站的进水管和出水管都不拐弯，形状简单，过流通道的水力损 失减少，施工方便。 ( 2 ) 贯流式水轮机具有较高的过流能力和大的比转速，所以在 水头和功率相同的条件下，贯流式水轮机直径要比灌浆式小1 0 左 右。 ( 3 ) 贯流式水电站的机组结构紧凑，与同一规格的转桨式机组 相比其尺寸较小，可布置在坝体内，取消了复杂的引水系统，减少 第2 章贯流式机组厂房设计 厂房的建筑面积，减少电站的开挖量和混凝土量根据有关资料分析， 土建费用可以节省2 0 3 0 。 ( 4 ) 贯流式水轮机适合做可逆式水泵水轮机运行，由于进出水 流道没有急转弯，使水泵工况和水轮机工况均能获得较好的水力性 能。如应用于潮汐电站上可与双向发电双向抽水和双向泄水等六种 功能。因此，很适合综合开发利用低水头水力资源。 ( 5 ) 贯流式水电站一般比立轴的轴流式水电站建设周期短，投 资小，收效快，淹没移民少，电站靠近城镇，有利于发挥地区兴建 电站的积极性。 2 3 厂房设计 2 3 1 厂房主要尺寸确定 ( 1 ) 前缘长度确定。厂房前缘挡水长度应满足流道、吊车限 制线、安装间平面尺寸、边墩结构厚度、左右两端墙结构厚度的要 求。 ( 2 ) 上下游底宽的确定。厂房上下游方向底宽按流通长度和 进出口闸门布置要求确定。上部宽度除满足下部要求外还要满足启 闭机布置、运行及进出口平台布置要求。 ( 3 ) 安装高程的确定。水轮机的安装高程是厂房最基本的数 据。安装高程应满足各种工况下防止空蚀和尾水口淹没深度大于 0 5 m 的要求。在基本高程确定后，为获得较大的发电效益，可进行 安装高程的方案比较，经济、技术论证后最终确定安装高程，另外 还应考虑河床下切的影响留有一定的余地。 ( 4 ) 建基高程的确定。建基高程受流道和设备布置影响，通 常在流道和设备布置外轮廓线，减底板厚度即为厂房各部位的建基 高程。管道电缆层高程为流道顶高程外加流道顶板厚度。 ( 5 ) 运行高程的确定。有些电站厂房不设置运行层，设置运 行层的，其高程为管道电缆层外加5 m 左右。 进出口平台及挡水墙顶高程的确定应满足校核水位加安全超高 北京工业大学工学硕士学位论文 的要求。 2 3 2 厂房结构布置特点 ( 1 ) 分缝。厂房永久缝一般采用以及一及一缝和两机一缝， 根据机组尺寸大小及机组稳定、应力和旋工要求确定。通常两道永 久缝闯构成一个独立结构体。有的工程因尾水位很高，厂房的侧向 水推力很大，为避免基地产生拉应力，在施工后期将永久缝灌浆， 使几个机组段连成一体抵抗侧向水推力很大。 ( 2 ) 止水。厂房上下游垂直止水一般位于上，下游挡水墙处， 其中上游垂直止水应与帷幕接头。厂房的水平止水线一般布置在流 道顶板，也可布置在流道地板。两种布置各有其优点。顶板处设止 水可利用缝水压力平衡侧向水推力，同时机组正常运行期间边墩两 侧水压力平衡，结构受力条件好，是经常采用的止水方法。 ( 3 ) 挡水墙。灯泡机组装置高程较低，厂房依靠设置较高的 挡水墙挡水。上下游挡水墙以进、出口闸墩为支承组成挡水结构。 左右两端墙跨度很大，通常设置中支撑墙和上下游挡水墙作为左右 两端墙的支撑，共同组成侧向挡水结构。 2 4 本章小结 在这一章中，简要介绍了贯流式机组水电站的发展现状，和 轴流式的不同之处，以及机组主厂房结构设计情况，以便于理解后 文中对它的结构受力问题进行分析。 贯流式水电站是指采用贯流水轮发电机组开发低水头水力资源 而建造的水电站，这种水电站的枢纽布置、厂房结构设计、动能经 济计算，装机规模与机型选择计算等等与常规电站相比，有不同的 要求和特点。它是水轮发电机组中一种设计、制造、安装难度最大 的低头机型，技术水平和制造能力等要求较高，但是它的厂房在布 置上省去了高大的弯肘型尾水管和混凝土蜗壳，贯流式机组本身尺 寸也较小，可以减少厂房基础开挖深度和机组中心间距，从而缩小 厂房的长度和高度，因而工程量较少、建设周期短、见效快、便于 第2 章贯流式机组厂房设计 集资，多用于低水头、大流量的平原河流电站和潮汐电站。 厂房主要尺寸确定包括以下五方面： ( 1 ) 前缘长度确定：( 2 ) 上下游底宽的确定：( 3 ) 安装高程 的确定： ( 4 ) 建基高程的确定：( 5 ) 运行高程的确定。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章工程概况与计算模型 现将下福水电站工程概况介绍如下( 厂房内部的详细布置情况参 看附录1 至附录4 ) ： 3 1 工程概况 下福水利枢纽工程是一座以发电为主，同时具有航运、灌溉、水 产养殖、旅游等综合利用效益的水利工程。设计总库容o 8 7 亿m 3 ， 电站装机3x1 6 5 m w ，船闸尺寸为8 0 x 8 1 5 m 。它是平乐县以下桂 江河段梯级综合开发利用规划中的第三个梯级，目前第二级昭平水电 站( 装机3 2 l m w ) 和第五级京南水电站( 装机2 3 4 5 m w ) 已建成 发电。第一级巴江口水电站已立项筹建，第四级金牛坪水电站、第六 级旺村水电站尚待开发。昭平县城至五将镇的公路经过坝址，坝址到 2 0 1 4 1 道路仅3 5 k m ，交通比较便利。 3 i 1 工程地理位置 下福水利枢纽工程位于广西桂江河段中游昭平县富裕乡下游 3 5 k m 处的下福村，距上游的县城1 4 k m ，其地理位置是在东经1 1 0 。0 5 1 10 。2 97 ，北纬2 3 。2 8 2 5 。5 5 之间。坝址以上集雨面积 1 5 2 0 0 k m2 ，占桂江流域面积7 8 8 1 。 桂江流域位于广西东北部，主流河长4 2 6 k m ，干流平均坡降2 4 7 ，流域总面积1 9 2 8 8 k m 2 ，地理位置东经1 1 0 。0 5 至1 1 0 。2 9 ， 北纬2 3 。2 8 至2 5 。5 57 。桂江是珠江流域西江水系的主要支流之 一，发源于广西兴安县西北部的猫儿山，主峰高程2 1 4 l m ，为广西之 颠。河流自北向南流，由源头流至兴安县溶江镇与秦代修筑的沟通湘、 桂二水的灵渠相连接。汇合灵渠后流至溶江镇称大溶江，大溶江汇合 甘棠江进入桂林、阳朔一带称漓江，过阳朔后，流向东又折向南汇合 恭城河、荔浦河后流至平乐县，平乐以下河流称桂江，桂江与马江镇 富群河汇合，经京南、倒水镇至梧州市汇入西江。 流域形状两端狭小，中间宽阔，似菱形；主流沿河险滩较多，自 大溶江至河流出口共有大小险滩2 3 3 处，中水位河面宽一般在1 0 0 第3 章工程概况与计算模型 3 0 0 m 之间，枯水期水面宽小于l o o m 。河道较弯曲，河水深浅不一， 浅水处卵石堆积，石礁裸露；深水处水深达2 0 3 0 m 。枯水期航道航 宽约5 0 m ，航道最小有效宽只有8 1 0 m ，桂林市至平乐县一般只有 4 0 t 以下的木船、机动船能通航，但在枯水期只能通航1 0 2 0 t 木船。 昭平县以下大部份时间可通航4 0 t 驳船，但在枯水期一、二月份内， 4 0 t 级驳船减载后才能行驶。在洪水时期与流量大于3 5 0 0 m 3 s 时，由 于峡谷水流紊乱，均不能通航。 流域地形北高南低，北部以越城岭与长江流域的湘、资水为界。 东北面有海洋山、都庞岭与沱水分界，东部有花山、大桂山与贺江分 水，西面有驾桥岭、大瑶山与洛清江、蒙江分水。流域分水岭较高， 主峰海拔均在12 5 0 m 以上，其中猫儿山主峰海拔高程为2 1 4 l m 。流域 上游大溶江一带主要是页岩及砂岩地层，桂林至平乐之间大部分是中 泥盘系石灰岩，岩溶极为发育，石芽林立。溶洞众多，构成“桂林山 水甲天下”的自然景观，平乐以下是砂页岩地区。 桂江有五条较大支流。桂林以上有甘棠江，流域面积7 8 8k m 2 ， 在灵川汇入；阳朔至平乐有荔浦河和恭城河，流域面积分别为2 0 4 8 k m 2 和4 3 2 3k m 2 ，在平乐县城附近相继流入：平乐县至昭平县之间有思勤 江，流域面积为17 7 8 k m 2 ，在昭平县城附近汇入；昭平至马江镇之间 有富群河，流域面积为1 2 2 2k m2 ，在马江镇汇入。 3 1 2 工程地质 ( 1 ) 本区位于广西“山”字型构造东南翼，经历了加里东、印支、 燕山等多期明显的构造运动，褶皱、断裂发育。虽然荔浦平乐活动 性断裂通过区内西北部，但距枢纽区较远，对其影响不大。据 g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 中国地震动参数区划图工程区地震动峰值加速度为 0 。0 5 9 ( 相当于地震基本烈度6 度) ，地震动反映谱特性周期o 3 5 s a ( 2 ) 库区两岸山体雄厚，库盘及分水岭均由砂、页岩组成，属不 透水至微弱透水岩层。库盘无深、大断裂通过，水库蓄水后不存在向 邻谷渗漏问题。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 库区岸坡多为岩质或岩土混合岸坡，坡度较缓，天然岸坡稳 定性好，水库蓄水后不存在大面积坍岸问题。 ( 4 ) 库区淹没范围不大，且根据现有地质矿产资料，水库淹没区 不存在具有工业开采价值的矿产。 ( 5 ) 枢纽区各主要建筑物都置于寒武系水口群中亚群中厚层 状细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩及少量炭质泥岩之上，岩石坚硬完整， 构造简单，不存在深、大的控制性软弱面，主要工程地质条件能满足 设计要求。建议建基面置于弱风化带上限线下2 3 m ，建议坝基进行 帷幕、固结灌浆。 ( 6 ) 枢纽区地下水与河水为重碳酸钙水，对砼无侵蚀性。 ( 7 ) 天然建筑材料就地取材，质量较好，储量能满足工程建设 需要，开采运输条件便利。 ( 8 ) f 1 8 断层通过整个坝区，破碎带宽约2 5 m ，其胶结较差， 透水性强，建议在施工应进行处理以提高其承载力及防渗性能。 3 1 3 工程任务 ( 1 ) 发电。下福水利枢纽工程是发电为主，兼有航运、灌溉、 旅游、渔业等的综合利用工程，电站正常蓄水位5 4 m ，装机容量 4 9 5 m w ，多年平均出力2 3 3 9 5 m w ，多年平均发电量2 0 4 9 4 万k w h ，其 中丰水期发电量l3 9 5 3 万k w h ，枯水期发电量6 5 4 1 万k w h ，保证出力 ( p = 9 0 ) 7 8m w 。 ( 2 ) 航运。从昭平坝址到下福坝址之间，河段长1 8 k m ，共有 碍航滩险8 处，下福水利枢纽建成后，按正常蓄水位5 4 m 运行，可渠 化昭平坝址至下福坝址之间航道，使此河段的通航条件大大改善，对 促进桂江腹地的经济振兴具有重大意义。 ( 3 ) 灌溉。下福坝址附近的富裕乡和五将镇，目前约有1 6 7 公顷农田基本无水利灌溉措施，且离坝址较近，下福水利枢纽建成后， 将为其提供自流灌溉和抽水提灌，计划自流灌溉面积1 0 0 公顷，抽水 提灌4 0 公顷，开荒造田2 7 公顷。 第3 章工程概况与计算模型 ( 4 ) 旅游。 下福水利枢纽的兴建，可淹没浅滩，扩大江面水域， 美化沿江景观，特别是昭平县城的景观。昭平电站、下福水利枢纽的 建成，将大大地促进昭平县、甚至桂江沿江旅游事业的发展；开发库 区水上游娱乐项目，丰富当地居民的业余生活，促进昭平县第三产业 的发展，同时为国内外游客从桂林漓江顺江而下，尽兴游览，直达梧 州创造有利条件。 ( 5 ) 渔业。正常蓄水位5 4 m 时，水库库面面积6 1 k m 2 ，枢纽建 成蓄水后，为发展库区渔业提供有利条件。可利用宽阔的库面发展网 箱养鱼，还可拦筑水库周围的部分冲沟库湾养鱼，初步统计约1 8 亩， 水深在3 m 左右。 下福水利枢纽工程正常蓄水位5 4 m ，死水位5 3 m ；总库容8 7 0 0 万 m 3 ，有效库容6 0 0 万i l l 3 ，属日调节水库：电站装机容量4 9 5 m w ，属h i ( 中 型) 等工程，主要建筑物定为4 级建筑物，次要建筑物定为5 级建筑 物。5 0 年一遇设计洪水位5 9 6 2 m ，2 0 0 年一遇校核洪水位6 1 9 6 m 。 本枢纽主要建筑物包括船闸、闸坝、厂房和开关站，自左至右枢 纽建筑物的排列为，左岸重力坝一船闸闸坝一厂房一右岸重力坝。 由于坝址处交通公路在右岸、河流主航道偏左岸，若将厂房布置在左 岸，施工期必须架设连接左右岸的跨河公路桥，且由于左岸山坡陡峻， 开关站无法布置，或开挖工程量十分庞大，这样不仅大大增加工程投 资，运行管理也极为不便，因此发电厂房只宜布置在右岸。同样，由 于河道主航道位于河中偏左，若把船闸布置在右岸，不仅会增加引航 道与主河道的衔接长度，上下游航道还会受溢流坝排洪干扰，另一方 面坝址上游河道在坝轴线上游约4 0 0 m 处向右转弯，而且在该处右侧 河床有一个小山包出露，给上游引航道的布置造成困难。由于河道在 坝轴线下游约1 0 0 m 的右岸为凸岸，使下游引航道也不能顺直布置或 使开挖工程量增大许多，因此，无论是从工程投资，水流条件和运行 管理等方面来分析，把船闸放在右岸是不合理的。综上所述，枢纽总 布置只宜按右岸厂房，河中闸坝，左岸船闸的方案布置，开关站则布 置于右岸接头坝的下游。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 计算模型选取 3 2 i 计算目的 厂房为钢筋混凝土结构，水压力主要由上、下游墙承担，水下部 分结构开的孔洞较大，流道内承受的水压力亦大，结构受力比较复杂。 为了进一步了解上，下游墩墙、流道周边混凝土、厂房底板、及建 基面受力状态、应力大小及分布情况，了解水下结构的最不利部位， 对结构进行进步的设计优化，同时根据计算结果进行结构配筋，因此 按线弹性三维有限元对厂房整体进行应力分析。 3 2 2 计算说明 由于原方案是参考以往相似工程设计完成的，有优化的可能，本 计算拟在原方案基础上对上下游墩墙、中隔墙等结构进行优化。 ( 1 ) 计算范围的选取 优化前 主体结构向上下游向取：上0 - 0 0 7 3 下0 + 0 4 6 2 主体结构左右向取：主厂房结构的左右岸边界线，即 左0 + 3 0 3 2 右0 + 3 5 0 优化后 主体结构向上下游向取：上o - 0 0 7 i 6 下0 + 0 4 4 7 2 主体结构左右向取：主厂房结构的左右岸边界线，即 左0 + 2 7 9 5 0 右0 + 3 2 2 5 0 底部岩基深度近似取主体结构底部水流方向长度的1 5 倍，即 8 0 m 。上下游侧岩基大约各取主体结构底部水流方向长度的l 倍，即 5 0 m ，左、右侧岩基与主体结构等宽。 1 6 第3 章工程概况与计算模型 ( 2 ) 材料参数 基岩变形模量 e - - 3 5 g p a 泊松比u = 0 2 5 混凝土弹性模量e = 2 s 5 g p a 泊松比u = o 1 6 7 容重y = 2 4 5 k n m 3 为了计算杨压力对底板的作用，在流道的底板下加一软层，计算 时取基岩变形模量的1 1 0 0 0 ，泊松比取基岩和混凝土的平均值即 o 2 。 ( 3 ) 计算假定及边界条件 不考虑荷载的动力响应，基岩和混凝土结构按线弹性问题分析 各向同性的线弹性材料本构关系用矩阵形式表示如下”1 ： f = d 占 式中，d 为单元刚度矩阵，如下： 。= f e ：0 晒- v ) j 1 l 上l000 1 一u1 一u 1 l000 1 一u 1000 土兰生00 2 ( 1 一u ) i 1 冈- 2 0 。 1 2 u 2 ( i d ) ( 3 1 ) 式中，e 为材料弹性模量，u 为泊松比，盯为单元应力列阵，如下 ；b ；o ，6 zf t hr g r 式中，占为单元应变列阵，如下 ( 3 2 ) 靠西办撕和巧 北京工业大学工学硕士学位论文 = p ；占，占：y 可，耳y g r ( 3 3 ) 所取岩基底部及上下左右侧均采用刚性链杆支承： 厂房上游挡水墙处设垂直止水片延伸到底部，下游左侧边界面挡 水墙处同样设一道垂直止水片延伸到底部，右岸边界面挡水墙处设一 道垂直止水片与水平止水片相接，机组的右岸边界面两道垂直止水片 之间再设一道水平止水片； 没有考虑厂房吊车及副厂房柱传来荷载的影响，不考虑直径小于 l m 的空洞影响。 ( 4 ) 二期混凝土的考虑 由于现在提供的图纸没有明确表示二期混凝土的范围，经参考百 龙滩电站，确定了部分二期混凝土作初步计算。 ( 5 ) 坐标说明及单位说明 x 方向为水流方向，y 方向为铅锤方向，z 方向为坝轴线方向， 长度单位为m ，力单位为k n ，应力单位为k p a ( 6 ) 计算依据 水工混凝土结构设计规范( d l t 1 9 9 6 ) 水工建筑物荷载设计规范( d l5 0 7 7 一1 9 9 7 ) 水电站厂房设计规范( s l 2 6 6 2 0 0 1 ) 3 2 3 计算工况 ( 1 ) 特征水位 优化前： 以。岛孙胁 第3 章