（水利水电工程专业论文）水电站蜗壳、垫层及周边混凝土受力特性分析.pdf

摘要 水电站蜗壳组合结构具有复杂空间空腔结构和三向受荷载条件，任何弹性力 学的解析答案都无法精确的给出。通过介绍蜗壳设计型式，了解其发展趋势，据 此分析蜗壳的研究方法，阐述各种设计型式的不同研究方法。平面应变或应力问 题要求在垂直于平面的方向上不产生应变或应力及所受荷载平行于平面，故简化 为平面问题只是在计算机尚未发展到一定程度下的一种尝试，是对简化的杆件系 统计算方法的初步深化。模型实验对实际设计实体按一定比例进行模拟，将试验 成果运用到实际生产中，这是今后主要研究方式一种。三维有限元计算真实地模 拟了设计结构和受荷载条件，是采用计算机研究的重要方式，也是蜗壳研究另一 种主要方式。本论文就是采用该方法对蜗壳结构进行三维仿真，计算成果说明该 方法具有很高的仿真性、使用性及较高的经济效益，可以有效地解决工程实际问 题。 垫层材料应力应变试验可以了解不同材料的变化特征，分析在各自的应力区 间中的应变范围。通过设定不同试验的环境，研究各种环境参数对应力、应变关 系的影响。材料试验资料研究表明，三种材料中高压聚乙烯低发泡塑料优点显著， 可为实际工程采用。 垫层厚度受诸多因素影响，通过改变其厚度研究外包混凝土的应力和位移变 化规律，了解厚度对应力、位移控制程度。经过对混凝土和钢衬直接联合作用以 及3 0 r a m 、4 0 m m 、5 0 m m 厚度垫层的分析，获得了定量的应力数据、位移量， 不仅解决了工程设计配筋，而且为选择合理垫层厚度提供客观依据。垫层包角的 变化直接影响其周边的应力和位移，尤其在变化部位影响更为显著，可一定程度 反映外包混凝土中薄弱部位应力对垫层铺设范围灵敏程度。 垫层弹性模量是其关键性力学指标，它直接影响到内水压力传递比，是该种 蜗壳设计型式的重要因素，在计算模型中按不同垫层厚度下各种弹性模量进行计 算，可以得到各种相应的应力数据，可描述应力与弹性模量定量的对应关系，为 具体水电站工程设计和研究提供根据。 通过建立局部三维模型和选取典型断面，分析在各种三向荷载作用下应力及 位移，并与整体三维模型计算结果进行对比，可获得两者之间对比关系，为工程 的可研、初设阶段简化计算提供理论。平面有限元计算，可以为了解具体工程条 件下规程规范中采用的杆件系统计算精确程度，检查平面计算与三维整体模型成 果的误差。将单一外载( 内水压力) 作用于三维整体模型，分析该荷载对外包混 凝土中的总应力、总位移提供的分量，为各种荷载作用下的应力叠加提供应力分 量，也可以间接分析其它荷载的影响程度。 关键词：有限元、蜗壳、弹性垫层、应力、局部三维模型、单独外载、传递比 a b s t r a c t n e c o m p o s i t ec o n s t r u c t i o no ft h es h e l l - m e t a ls p i r a lc a s i n g i n h y d r o e l e c t r i c p o w e r s t a t i o ni sa c o m p l e x t h r e e d i m e n s i o n a l s p a c e s t r u c t u r e 丽mt h et h r e e d i m e n s i o n a ll o a d i n gc o n d i t i o n s ，a n yr e s u l to b t a i n e df r o mm e c h a n i c so fe l a s t i cd o e s n o tp r e c i s e l yd e s c r i b ei t ss t r e s sc h a r a c t e r i s t i c s b yi n t r o d u c i n gm o d e lo f s p i r a lc a s i n g d e s i g n i n g r e s e a r c h m e t h o d so ni ti sa n a l y z e db y k n o w i n gd e v e l o p i n gt r e n d f u r t h e r e x p o u n d i n gd i f f e r e n tm e t h o d so nm o d e l s p r o b l e m so np l a n es t r a i no rs t r e s sr e q u i r e n os t r a i no rs t r e s sa tt h ed i r e c t i o no f v e r t i c a lt op l a n ea n dl o a d s p a r a l l e lt ot h ep l a n e ， s ot h a tt h e c o m p l e xt h r e e d i m e n s i o n a ls p a c es t r u c t u r es i m p l i f i e d a sp l a n ed u r i n g p e r i o do f p o o rd e v e l o p e dc o m p u t e ri sr e g a r d e da sa t r i a lo ra d e e p e n i n g f o rc a l c u l a t i o n m e t h o do fm e m b e rs t r u c t u r e r e s u l t so fm o d e lt e s ts i m u l a t i n ga c t u a ld e s i g n i n ge n t i t y i np r o p o r t i o nt oc e r t a i ns c a l ew i l lb ep u ti n t op r a c t i c e ，a n dt h i si st h em a i nr e s e a r c h m e t h o da f t e r w a r d s t h r e e - d i m e n s i o n a lc o m p u t e r i z a t i o nr e a l l ys i m u l a t e s d e s i g n i n g e n t i t ya n dl o a dc o n d i t i o n s ， s ot h i si sa n i m p o r t a n tm e t h o d a n da l s oa n o t h e rc a s i n g r e s e a r c hm e t h o d i nt h ea r t i c l e s p i r a lc a s i n gs t r u c t u r es i m u l a t e d b yt h r e e - d i m e n s i o n a l c o m p u t e r i z a t i o n t a k e so nh i 【9 1 1 i m i t a t i o n u t i l i t y h i g h e re c o n o m i cb e n e f i t s ， m e a n w h i l ei tw i l lr e s o l v ea c t u a lp r o j e c t p r o b l e m s c h a r a c t e r i s t i c so fd i 丘b 南n tm a t e r i a lo b t a i n e df r o ms t r e s sv e r s u ss t r a i nc u r eo f c u s h i o nm a t e r i a la r et oa n a l y z es t r a i ns c o p e sa tt h er e s p e c t i v es t r e s sr a n g e s d e v i s i n g d i f f e r e n tt e s tc o n d i t i o n s a f f e c t i n g 0 1 2s 娩s s e sa n ds t r a i n sa r ef u n e ra n a l y z e d c h a r a c t e r i s t i c so f h i g hp r e s s u r ep o l y e t h y l e n ep l a s t i cw i t hl o w e rf r o t ha r eb e t t e rt h a n t h o s eo f o t h e r si nm a t e r i a lt e s t s ，a n di tw i l lb e p u t i n t op r a c t i c e m a n yf a c t o r s c o n t r o lc u s h i o nt h i c k n e s s b ya n a l y z i n gl a w so fs t r e s s e sa n d s t r a i n si nt h ec o n c r e t eu n d e ri t sd i f f e r e n tt h i c k n e s s e s 。i ti sk n o w n t h a tt h i c k n e s sa f f e c t s e x t e n to fs t r e s s e sa n ds t r a i n s s os e t t i n gu pf o u rm o d e l sw i t h0 m m 、3 0 r a m 、4 0 m m 、 5 0 m mi n t h i c k n e s s q u a n t i t a t i v e s t r e s sa n dd e f o r m a t i o nd a t u mo b t a i n e df i - o m c o m p u t e r i z a t i o nm o d e l s w i l lr e s o l v er e i n f o r c e m e n tp r o b l e m sf r o ma c r l a lp r o j e c t s 。 a c c o r d i n ga sw h i c hc u s h i o nt h i c k n e s sw i l lb er e a s o n a b l ys e l e c t e d c h a n g e si nt h e s c o p eo f t h ec u s h i o nd i r e c t l yi n f l u e n c es t r e s s e sa n dd e f o r m a t i o ni nt h ei t ss k i r t s p e c i a l l ym o r eo b v i o u s i nt h ec h a n g i n g p a r t s o t h e s ec a l le x p l a i ns t r e s s e ss e n s i t i v et o t h e s c o p eo f c u s h i o n i nt h ew e a k p a r t o f t h ec o n c r e t e e l a s t i cm o d u l u so fc u s h i o ni sa ni m p o r t a n ti n d e xa n df a c t o ro f s p i r a lc a s i n gw i t h c u s h i o n 。w h i c hd i r e c t l yi m p a c to nt r a n s f e r r i n gr a t i oo fi n n e rw a t e rp r e s s u r ef r o m m e t a ls h e l lt o s t r e s si nt h ec o n c r e t e i nt h ec o m p u t e r i z a t i o nm o d e l sw i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s s e s ，a l lk i n d so f s t r e s sd a t u mo b t a i n e db yv a r i o u sn u m b e r so fe l a s t i cm o d u l u s c a nd e s c r i b er e l a t i o nb e t w e e nt h e s ea n de l a s t i cm e d u l u s i nt h ee n d ，i tw i l lb eu s e di n t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho f h y d r o p o w e rs t a t i o n b yt h r e ed i m e n s i o n a la n dp a r tm o d e l ，i t ss t r e s s e sa n dd e f o r m a t i o n s c o n t r a c t w i t hr e s u l t so ft h ew h o l em o d e l ，a n dr e l a t i o n sb e t w e e nt h e ma r e k n o w n ，s o p r o v i d eb a s e sf o rs i m p l i f i e dc a l c u l a t i o no ff e a s i b i l i t ya n dp r e l i m i n a r yp h r a s e s p l a n e f e mh a sc a p a b i l i t yo fk n o w i n gp r e c i s i o nd e g r e eo fr e s u l t sb ym e m b e rs t r u c t u r e m e t h o d a n dc o n t r a c t sw i t ht h e s eo f t h r e ed i m e n s i o n a lw h o l em o d e l i n d i v i d u a ll o a d a f f e c t i n gs t r e s s e sa n d d e f o r m a t i o n si sa n a l y z e d ，w h e nt h ei n d i v i d u a ll o a d ( i n n e rw a t e r p r e s s u r e ) a p p l i e dt o t h ew h o l em o d e l ，a n ds op r o v i d e ss t r e s sc o m p o n e n tf o rs t r e s s s u p e r p o s i t i o n u n d e rk i n d so f l o a d s ，m e a n w h i l ec a ni n d i r e c t l ya n a l y z ee f f e c to f a n o t h e r l o a d so ns t r e s s e si nt h ec o n c r e t e k e y w o r d s ：f e m ，c a s i n g 、e l a s t i cc u s h i o n ，s t r e s s 、t h r e ed i m e n s i o n a la n dp a r tm o d e l ， i n d i v i d u a ll o a d 、t r a n s f e r r i n gr a t i o 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豹研究工终和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含获得天津大学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文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。 学位论文作者签名：夕纪# 彳、象 签字日期：j 哆年肛月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解夭津大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权天津大学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， 并采用影引、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 家有关部门和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) 学位论文作者签名：多诧小_ ；i 幺导师签名： 序摊鬻 签字日期：吻年，月巧日 签字目期： 卅年l ，月呻日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 蜗壳的设计型式 水力能源是人类开发较早的一种清洁能源。在一些发达国家，已经充分开发 了国内水力资源，而我国人均水力资源相对不丰，并且仅开发- d , 部分。随国家 经济实力不断增长，水力能源开发将会出现较大发展，永轮发电机的蜗壳结构设 计方法必将得到进一步优化和改进，其研究工作的必要性和重要性日益变得突 出。 按蜗壳组合结构设计划分，国内外水电站蜗壳结构设计可分为以下四种基本 型式：混凝土蜗壳、有弹性垫层蜗壳、充水加压埋入法蜗壳和空壳直接埋入法蜗 壳。 ( 1 ) 、混凝土蜗壳： 混凝土蜗壳结构主要特点为内水压力直接作用在钢筋混凝土上，未设内部钢 衬和弹性垫层，空腔结构多为梯形。这类蜗壳结构主要用于水头小于4 0 m 的小 型水电站，按规范对其迸行计算，在已建该类水电站中仅少部分采用了有限元法 进行分析研究。 ( 2 ) 、有弹性垫层蜗壳 有弹性垫层蜗壳就是在钢衬与外围混凝土之间加一层弹性模量较小的材料， 作用主要为以下几个方面：钢蜗壳独自承担大部内水压力，可充分利用钢材自 身强度，减少钢衬的厚度；在外围混凝土与钢衬之间，人为增加其间隔距离， 为钢衬在运行中留下变形空间，而外围钢筋混凝士结构主要承受上部结构传递的 荷载( 如发电机层、母线层、水轮机层，定子基础负荷以及上下机架基础负荷等) ， 达到充分发挥混凝土强度，减少配筋的作用；充分利用下半圆混凝土的握裹作 用，减少蜗壳和座环的扭转变形，提高蜗壳的整体刚度和抗震性能。垫层可以 有效削减蜗壳震动对上部结构的影响。 我国目前实行的水电站厂房设计规范( s d 3 3 5 2 0 0 1 ) 中规定了一般水电 站蜗壳采用这种结构型式。所以这种类型蜗壳结构在我国有广泛的应用，如万家 寨、小浪底、龙羊峡、龙滩、安康等。在国外，前苏联除高水头h d 蜗壳外，大 都采用在蜗壳上半部布设垫层法；例如欧洲几个水电站蜗壳上部布设弹性垫层。 第一章绪论 ( 3 ) 、充水加压埋入法蜗壳 按某一水压力对钢蜗壳充水予压后，在保压状态下进行蜗壳外围混凝土浇 筑，待混凝土完全凝固结束，卸掉其内部水压力，在钢衬与外围混凝土之间形成 间隙。其作用是利用钢蜗壳自身的承载能力承担绝大部内水压力，减轻内水压力 对外围混凝土的作用；当内水压力大于充水压力，混凝土与钢村将为完全接触状 态，形成联合承载作用，钢筋混凝土和钢衬共同承担超出予压的水头。这种蜗壳 结构可改善混凝土中应力状态和减小配筋量，提高机组运行的稳定性，是高水头 电站蜗壳设计的方向。但由于需要进行充水予压及多种结构处理，增加了成本和 工程量。 美国长期以来多采用充水加压埋入法蜗壳结构，美洲其它国家( 如加拿大、 巴西等国) 及西欧一些国家对中、高水头的大型机组蜗壳也采用充水加压埋入法 蜗壳结构。我国采用这种型式蜗壳结构历史已有1 0 多年，呈现出广泛应用趋势， 己建和在建工程有三峡、广蓄、天生桥、十三陵、潘家口、二滩、天荒坪等水电 站。 ( 4 ) 、空壳直接埋入法蜗壳 在钢蜗壳外直接浇筑外围混凝土，不铺设任何材料垫层，这种结构型式刚度 大，让外围混凝土承担一定比例的内水压力，这种完全联合承载结构可以充分发 挥外围混凝土强度，达到减薄钢衬厚度。前苏联对这种蜗壳结构型式的研究较多， 并应用于努列克、英古里和萨扬舒申斯克等水电站中。北欧一些国家和日本在高 水头电站中也采用此类蜗壳结构型式。丽在我国大中型水电站建设中应用较少。 1 2 蜗壳的研究方法 伴随蜗壳结构设计不断的改进，对蜗壳结构的研究也逐渐地深入，不同的国 家和地区给出了多种形式的研究方法，大致可分为结构力学法、模型试验法和有 限元法三种。 ( 1 ) 、结构力学法“j 剐 水电站蜗壳结构的几何形状复杂，在大体积混凝土结构内开有不规则、渐变 的蜗壳空腔、尾水管及进人孔等，结构承受三向荷载作用，这样一个复杂体型和 复杂边界条件根本不可能求得其弹性力学解答。为了满足工程实践需要，在计算 笙二塞堕丝 机尚未广泛应用时，工程师们对其结构进行简化，按等截面或变截面平面r 型框 架及平面框架用杆件系统结构力学方法计算内力。该方法简单迅速，配筋设计方 便。实践证明：采用这样的设计结构是安全、可靠的。但由于未考虑结构的整体 作用，故有较大安全储备，增加了不必要的配筋，造成一定浪费。此外，该方法 亦不能给出环向应力数据，导致环向配筋设计失去了依据，同时简化后的平面模 型与结构的实际体型、三向受力特征相差较大，不能完整反映蜗壳结构的实际受 力特征。目前，结构力学法多用于混凝土蜗壳结构计算，对大、中型水电站蜗壳 结构而言，仅采用此法计算蜗壳应力状态已不多见。 ( 2 ) 、试验模型法【l l t o 】【1 5 m l 根据不同的蜗壳设计型式。试验模型法可分为有弹性垫层蜗壳试验、充水加 压埋入法蜗壳试验和空壳直接埋入法蜗壳试验三种。但第一、三种试验原理和成 果分析相差不大，充水加压埋入法蜗壳试验有着不同与上述两种试验，存在较大 差异性。 有弹性垫层蜗壳试验和空壳直接埋入法蜗壳试验均为根据实际设计原形，按 照一定比例进行缩小，一般取l ：2 0 l ：4 ，荷载和边界条件按模型与原形相似 准则进行处理，钢筋按含筋率相似配置。在各个控胄6 性断面上布设各种应变片、 测缝计、温度计及变位计等观测仪器，测定钢衬、钢筋和混凝土的应力、应变和 开缝情况。如龙羊峡、二滩水电站和前苏联努列克水电站。 充水加压埋入法蜗壳试验目的为确定水电站最终充水加压水头。在试验中选 择予压水头时，应考虑以下两个方面：适度减轻外包混凝士的负荷，达到既保 证外包砼能嵌固钢衬。又能减少混凝土配筋目的；不能选择予埋压力大于蜗壳 运行时最小压力水头，否则在最小压力水头运行时外包混凝土就不能起嵌固和约 束作用。试验过程主要为设备安装、试压水检查、充水加压、外围混凝土浇筑及 观测设备记录。设备安装是根据设备供货厂家提供的蜗壳现场水压试验密封装置 及加压设备进行焊接和安装，待试压水检查合格后，进行正式压水。稳定在予埋 压力水头下，浇筑外围混凝土，当外围混凝土凝固后，卸去内水压力。在此过程 中，不间断地观测钢衬和其它结构部位应力应变的变化和混凝土开裂情况。如潘 家口、广蓄、二滩和三峡等水电站设计均采用了此法。 ( 3 ) 、有限元法 4 1 2 3 j 第一章绪论 有限元法可用于求解具有任意复杂体型和边界条件的连续介质力学问题，其 发展已有几十年，但在国内真正用于水电站蜗壳研究仅十几年。主要有线弹性平 面有限元、线弹性空间有限元和非线形空间有限元三种。在建或拟建的大中型水 电站蜗壳结构均已采用有限元法进行计算或优化设计。 线弹性平面有限元主要在计算机发展初期对复杂的蜗壳组合结构进行研究。 即在蜗壳进口段中选择一、二垂直于水流方向的截面作为计算平面，不考虑上部 结构( 如发电机层楼板、母线层楼板和梁与柱) ，作用其上的荷载简化为分布荷 载或集中荷载，边界条件亦做相应处理。随计算机的运算速度和存储量不断地提 高，目前该方法已很少使用。 线弹性空间有限元法为根据拟建水电站结构设计资料，建立计算所需的空间 有限元模型。在建模过程中应充分考虑组合结构的特点，简化对整体应力应变影 响较小的细部结构，剖分单元尽可能采用计算精度较高的六面体单元，并在材料 特性变化较大部位进行细化单元，边界条件和荷载条件均按实际情况施加。国内 多数水电站蜗壳组合结构都采用了此方法进行了计算，如龙羊峡、广蓄、二滩、 万家寨、小浪底、三峡等。 据已有试验成果证明，垫层是非线性材料。因而工程技术人员开始采用非线 性空间有限元，进行模拟蜗壳空间组合结构。同时亦认为其是复合材料的叠层结 构，材料性能和应力沿厚度是不连续函数，视为理想的弹塑性材料，采用各种不 同方法进行协调变形。该方法多见于文章之中，在实际工程运用中较少有比较成 功的计算个例，多属于理论上的探讨。 1 3 本文主要内容 根据国内外的工程实践，上述四种蜗壳结构型式在目前水电站设计中普遍应 用。在按h d 值大小选择合理的蜗壳结构型式后，进行蜗壳组合结构整体计算。 由于复杂的空间蜗壳结构。不能按常规方法简化为平面应力问题或平面应变问 题。作平面问题处理将忽略了作用在空间结构上顺水流方向的外荷载作用，不能 给出整体环向应力和配筋：同对荷载作用形式和约束边界条件也与实际受力条件 相差较大，计算成果精度较差。在国内水电站蜗壳结构计算中，线弹性空间有限 元法运用仅有十几年，并且对蜗壳的钢管、外包混凝土中的钢筋和垫层弹性模量 对外包混凝土受力影响等研究成果较多。因此，本文以龙滩水利枢纽工程为背景， 4 第一章绪论 运用国际上通用的大型软件a n s y s ，对水电站厂房地下蜗壳组合结构进行全面 系统的研究，做了以下几个方面工作。 1 、介绍分析了弹性垫层受力特性，研究其应力和应变的变化关系，了解不 同材料的各项主要指标变化特征，为合理地选择蜗壳设计所需的垫层材料提供理 论基础，以便掌握其内在的规律性。 2 、通过建立不同厚度弹性垫层的蜗壳组合结构模型，求解在相同的边界条 件、荷载条件以及材料特性下的组合结构的应力位移，选择五个典型断面分析应 力位移的变化规律及内水压力传递比。 3 、按三种不同包角布设方式( 1 6 5 。、1 8 0 。、2 1 0 。) 进行建模，研究在各 种荷载作用下垫层包角对外包混凝土中应力位移及侧向内水压力传递比的影响。 4 、在同垫层厚度下，改变垫层的弹性模量大小，分析垫层模量对蜗壳组 合结构应力的影响，阐述不同垫层厚度和弹性模量下的应力位移分布规律，为蜗 壳选择垫层设计厚度和弹性模量提供理论根据。 5 、根据龙滩水电站蜗壳结构设计特点，在蜗壳进口段选择一局部三维模型， 按相应的荷载和简化了的边界条件进行计算，比较局部力学模型计算成果与整体 计算模型应力位移值，分析两者之间产生差别的原因，为将来简化计算提供必要 的理论依据和经验。 6 、通过研究蜗壳组合结构在内水压力( 即不考虑活动荷载、上下机架荷载 及自重荷载) 作用下应力位移分布特征，分析该荷载对结构总应力的影响，为探 讨各种荷载对蜗壳总应力所提供的应力分量大小打下基础。 第二章弹性垫层的力学特性研究 第二章弹性垫层的力学特性研究m 1 2 1 垫层种类 有垫层的蜗壳组合结构是四种蜗壳结构型式中最主要的一种，垫层的材料性 能是这种结构设计型式的关键，它直接影响到内水压力在混凝土中的分配，控制 着混凝土中的应力、应变及其破坏等。由于垫层的可压缩性，在钢衬与外包混凝 士之间形成一定的易变形空间，提供了钢衬在内水压力作用下的变形间隙。确定 垫层材料常以蜗壳正常运行时钢衬变形特征为依据，综合考虑技术、经济和施工 等因素。 工程中对垫层材料的基本要求为：( 1 ) 弹性模量低，一般介于1 1 0 m p a 之 间；( 2 ) 在施工和运行工况下，对钢衬和混凝土无腐蚀性：( 3 ) 吸水性差、受水 浸湿后不产生体积膨胀；( 4 ) 抗老化、抗腐蚀和稳定性好；( 5 ) 造价低、取材方 便和使用简便等。 作为垫层材料种类，国内使用的有很多种，如高分子合成材料聚乙烯发泡板、 聚苯乙烯发泡板、钙塑板和轻型建材中的聚氨脂软木、油毡以及橡胶等。但不同 的材料具有各自的特性，。如聚氨脂软木、油毡和钙塑板三种材料在浇筑混凝土时 损失的压缩模量不大，弹性模量变化均匀和残余变形小：软木沥青玛蹄脂价格高， 需加热处理( 加热温度大于1 0 0 。) ，施工复杂。所以在确定垫层用料时，需要对 初选的几种材料进行各种性能测试。根据测试成果和实际工程条件，选择相匹配 的某种垫层材料，作为具体实际工程用材。 2 2 垫层材料力学性质 ( 1 ) 、应力、应变试验 根据具体工程运行环境和相关规范，确定试验的温度和湿度环境，制作试验 试样( 3 c m x 6 6 c m 2 ) 及按规程程序进行试验。试验设备一般有w 胁一1 0 a 万能电 子试验机、传感器、电子分析天平、低温箱、烘箱、不透水仪器等。试验材料为 初选的垫层材料。 垫层受压时的应力为： p 仃= 一 4 式中。为受压应力( m p a ) ：p 为施加荷载( 1 0 2 n ) ；a 为试样截面面积( c m 2 ) 。 6 第二章弹性垫层的力学特性研究 垫层受压轴向应变为： a h s = 一 h 式中e 为试样压缩时轴向应变；h 为试样的压缩变形量( c m ) ；h 为试 样初始厚度( c m ) 。 若垫层材料服从虎克定律( 线弹性材料) ，则压缩时的弹性模量e 可由下式 给出： 以及泊松比为 e ：! 占 r ：鱼 占 式中u 为泊松比；eo 为试样受压时横向应变：e 为试样压缩时轴向应变。 图2 1 为垫层材料的轴向应力。与轴向应变的关系曲线。由图可见，要精 确地定义e 是比较困难的。曲线的斜率代表e ，它是随着应力( 或应变) 而变化。 在图2 2 上给出了e 随着轴向应变的变化曲线。 o o 为 ( h l p a ) o2 0 o1 5 01 0 o 2345 1 0 。 e 5 0 0 n m 4 0 0 30 0 2 0 0 1o o 1234石 x 1 0 图2 1垫屡应力、应变关系田图2 2 弹性横量e 随轴向应变的变化圉 ( 2 ) 、弹性垫层的力学性质 目前工程所用垫层材料的应力、应变特征主要有两种。一种类型( 简称i 类型) 为随应力的增加，变形也随之增大，如图2 _ 3 ( a ) 及表2 1 所示。在图2 3 ( a ) 中，从p 点开始，曲线的斜率随着应力的增加而逐渐减小，蜗壳垫层开始发生不 第二章弹性垫层的力学特性研究 可恢复的变形，但到达m 点后，材料应力一应变曲线的斜率随着应力的增加而 逐渐增大，呈现出近似线性强化特性。聚苯乙烯泡沫塑料垫层材料为这种应力、 应变关系。 另一种类型( 简称i i 类型) 为在整个应力、应变曲线中其斜率不断的增加， 如图2 3 ( b ) 所示。从p 点开始，曲线斜率以更大的幅度增加，材料开始发生 塑性变形，即卸去施加的应力，出现不可恢复的残余变形；m 点后，材料出现 较大的硬化现象，表现为作用较大的应力而产生较小的应变。海绵橡胶垫层材料 为这种应力、应变关系。 o o 笱 押0 a 幻 0 1 5 01 0 d0 5 12045 e ，r ( a ) 图2 3垫层典型应力、应变曲线图 表2 1垫屡材料的弹性模量和泊松比 挝料名称 聚苯乙烯高压聚乙烯闭高压聚乙烯闭 备注 测试项目 泡沫塑料孔低发泡塑料孔高发泡塑料 e _ 3 1 0 ( o o o s )3 8 0 ( o o 1 0 )0 7 0 ( 0 o 0 2 ) 括号中数据为材料 弹性e 2 1 2 0 ( o 0 8 o 1 1 )2 5 0 ( 0 1 0 o 1 0 3 0 ( 0 0 2 0 0 4 ) 应力应变曲线段应 模量e 3 o 5 0 ( o 1 l 0 1 3 )1 3 0 ( o 1 8 0 2 5 1o 4 0 ( 0 0 4 0 0 5 ) 力值，弹性模量为 ( m p a ) 已 0 2 0 ( 0 1 3 0 2 0 )o 4 0 ( 0 2 5 0 3 0 )0 3 0 ( 0 0 5 o 1 0 1 该阶段直线段的斜 岛 0 6 0 ( 0 2 0 o 2 7 )0 s 0 ( o 3 o 舢0 4 0 ( 0 1 0 o 2 5 ) 率。 泊松比u0 1 00 1 lo 1 3 两种材料相比较而言，第一种类型材料残余变形量( 或称为塑性变形量) 大于第二种类型材料，影响垫层的收缩和恢复变化，可导致内水压力传递比的变 化。 8 第二章弹性垫层的力学特性研究 对于多数垫层材料来说，应力、应变曲线在起始段有近似直线( o p 段) 的 形式，这种应力一应变关系可用表示为： 口= e 6 式中e - 是弹性模量，即直线段的斜率。 表2 1 中的e 2 e 5 仅是局部曲线段的割线斜率，它们不是真正意义上的弹性 模量，只是在有限元计算中采用近似应力、应变路径法来反映垫层受力过程。可 视为割线模景。 oo 12345 cx t o - t 12345 x l o 1 国2 4 聚苯乙烯泡沫塑抖应力应变曲线田2 5 聚乙燔低发泡塑料应力应变曲线 o 0 ，2 由图2 4 2 6 可见，不同垫层材 埘p 。q1 。 料在相同应变区间下呈现出各自的 o 应力范围，即高压聚乙烯闭孔低发泡 a0 6 沫塑料变形模量最大，聚苯乙烯泡沫 q0 4 塑料次之，高压聚乙烯闭孔高发泡沫q0 2 塑料最小，尤其在初始两个阶段( e 2 、 e 3 ) 表现的更为显著，其相差4 5 倍。因此，在选择垫层材料时，应考 12345 x l o - 围2 6 聚乙蜡高发泡塑料应力应变曲线 虑其可能受力作用区间，使垫层在初始的弹性阶段工作，会有利于机组的整体稳 定性，减小产生的振动。 9 ：1 3 仔 晒 o o 0 o o 一 第二章弹性垫层的力学特性研究 2 3 力学性质的影响因素 影响垫层材料力学性质的因素可分两个方面：一方面是材料本身的配方，通 过调整配方和加工方法，可以得到所需要的力学性能指标；另一方面是垫层材料 的实际工作环境，如温度、湿度等。以下主要讨论材料耐老化性和耐低温性问题。 ( 1 ) 、耐老化性 由图2 4 2 6 及表2 2 可以看出材料经过7 0 c 高温2 4 0 小时热老化作用后， 在发生相同的应变条件下，应力普遍提高，在应力、应变关系曲线上反映为热老 化盐线总是位于常规盛线之上。初始弹性模量变化量较大，即关系曲线中的初始 直线段斜率显著地增大。割线模量变化相对较小，表现为热老化曲线基本平行于 常规曲线。三种材料平均变化率最大者为高压聚乙烯高发泡塑料，聚苯乙烯次之， 高压聚乙烯低发泡塑料最小。具体三种材料曲线段割线模量变化情况见表2 2 。 表2 2垫层材料热老化成果 埘料名称聚苯乙烯高压聚乙烯闭高压聚乙烯闭 备注 测试项静 泡沫塑料孔低发泡塑料孔高发泡塑料 e i 3 5 0 f 0 0 0 5 )4 7 0 f 0 o 1 2 )1 4 0 ( 0 0 0 2 5 ) 括号中数据为材料 弹性e 2 1 9 0 ( 0 0 5 o 1 2 )2 7 0 ( 0 1 2 0 2 4 )0 6 ( 0 0 2 5 t 0 0 4 ) 应力应变曲线段应 模量e 3 o 7 6 ( 0 1 2 o 1 4 )1 2 0 ( 0 2 4 o 2 8 )0 4 0 ( 0 0 4 0 0 5 ) 力值，弹性模量为 ( m p a ) 已 0 3 0 ( o “o i g )0 4 0 ( 0 2 8 o 3 4 )0 3 0 ( o 8 5 o 0 8 ) 该阶段直线段的斜 bo 5 0 ( 0 1 8 o 2 5 )o 8 0 ( o 3 4 0 4 4 )0 4 0 ( 0 0 8 o 1 5 1 率。 le 变化率 1 6 l l 2 3 ( 2 ) 、耐低温性 图2 4 2 6 亦分别给出了三种材料在冻融5 0 次后的应力应变关系曲线，材 料应力应变关系表现出不同的规律性。三种材料初始弹性模量均出现一定的增 加，但聚苯乙烯泡沫塑料冻融前后基本未改变；高压聚乙烯高、低发泡塑料变化 量较大，变化量两者相差不大。割线模量在冻融前后变化较小，除个别曲线段( 如 聚苯乙烯最后两段) 外，表现为冻融后应力、应变曲线基本平行或重合与常规状 态下的关系曲线。三种材料平均变化率最大者为高压聚乙烯高发泡塑料，聚苯乙 烯次之，高压聚乙烯低发泡塑料最小，具体割线模量情况见表2 - 3 。此外，聚苯 乙烯泡沫塑料经冻融作用后，强度有降低趋势，出现冻融后应力、应变曲线降到 常规曲线之下。 1 0 第二章弹性垫层的力学特性研究 表2 3垫层材料冻融成果 ? 材料名称聚苯乙烯高压聚乙烯闭高压聚乙烯闭 备注 测试项目泡沫塑料孔低发泡塑料孔高发泡塑料 e l3 4 0 ( 0 0 0 6 )4 6 0 ( 0 0 1 0 ) 0 8 0 ( 0 - - 0 0 2 ) 弹性e 2 15 0 ( 0 0 6 o i o ) 2 4 0 ( 0 i o 0 1 帅0 4 0 ( o 0 2 0 0 4 ) 括号中数据为材料 模量 如0 5 0 ( 0 i o 0 1 3 )i 1 0 ( 0 1 9 0 2 4 )0 2 0 ( 0 0 4 0 0 7 ) 应力应变曲线段应 力值，弹性模量为 ( m p a ) e _0 3 0 ( o 1 3 o1 8 )o 4 0 ( 02 4 0 3 0 10 3 0 ( 0 0 7 0 1 0 1 该阶段直线段的斜 e 50 4 0 ( 0 1 8 0 2 5 )0 7 0 ( 0 3 0 o 4 0 )o 4 0 ( 0 1 0 0 1 5 1 率。 e 变化率 5 4 1 0 经上述分析可知，热老化和低温冻融对材料的力学性质都有一定影响，特 别是热老化因素，最小平均变化率达1 1 ，最大可达2 3 ，而低温冻融产生的 平均变化率最大为1 0 ，两者相差l 倍左右。 第三章垫层厚度对蜗壳应力位移影响 第三章垫层厚度对蜗壳应力位移影响 垫层厚度是有垫层蜗壳组合结构中重要参数之一，它直接影响内水压力传递 比，因此必须对其进行深入地研究和分析。 3 1 计算假定和计算条件2 7 】 ( 一) 计算假定 1 、选取3 4 机组段进行计算。底部取至高程2 0 1 7 0 m ，作为下部边界，上部 至高程2 3 3 7 0 m ，总高度为3 2 m ；下游为地下厂房下游边墙( 即桩号h 0 0 1 1 5 0 0 ) ， 上游为蜗壳外围混凝土上游边界( 桩号h 0 + 0 1 7 0 0 0 ) ，总长度为2 8 5 m ；两侧为 机组段间的横缝，总宽度为3 2 5 m 。主要结构有蜗壳钢衬、弹性垫层、外围混凝 土、机墩和其它上部结构( 如发电机层楼板、母线层楼板及相应的梁和柱) 。整 体计算模型见图3 1 。 2 、固定导叶视为均匀刚性环支撑。根据我们的研究成果和工作经验，将其 视为均匀的钢材料或混凝土材料，其计算结果无大的差异。此次假定固定导叶是 由钢材料组成的均匀刚性环。 3 、机组段约束边界条件根据中南勘测设计院提供设计图纸，确定为：机组 段两侧混凝土横缝为自由边界，岩石为法向约束边界；厂房上下游混凝土在高程 v 2 2 1 7 m 以下为水平链杆支承，基岩按法向约束边界计算；基岩底部为固定边 界。 ( 二) 荷载组合 混凝土、钢衬、钢管、垫层 及岩石等自重； 蜗壳内水压力p o = 2 4 0 5 m p a ；尾水管锥管内水压力按 下游水位为2 5 5 6 m 确定； 上机架基础荷载： 径向r 3 = 3 0 k n x1 2 ： 切向t 3 5 k n 1 2 圈3 1 整体计算模型图 第三章垫层厚度对蜗壳应力位移影响 定子基础荷载： 径向r i = 1 2 1 k n x1 8 ；切向t i = 3 6 3 k n x1 8 ； 轴向v i = 4 1 1 k n x1 8 下机架基础荷载： 径向r 1 = 1 2 3 k n x1 2 ；切向t 1 = 1 5 2 6 k n x1 2 ；轴向v l = 2 6 5 7 k n x1 2 活动荷载：发电机层为8 0 k n m 2 、母线层3 0 k n m 2 、水轮机层5 0 k n m 2 。 荷载的作用位置见图3 2 。 ( 三) 材料参数 l 、蜗壳钢衬和钢管：e ；2 0 6 x1 0 s m p a 1 8 0 y = 7 8 k n m 3 、u 卸3 ： 2 、弹性垫层：e = i 8 m p a 、y = 1 7 5 k n m 3 斗= 0 3 5o 3 、混凝土：e = 2 8 0 x1 0 4 m p a 、y = 2 5 k n m 3 、 u = o 1 6 7 ： 4 、基岩：e = 2 3 0 x1 0 4 m p a 、y = 2 7 4 k n m 3 、 u = 0 2 7 。 钢衬厚度：由蜗壳进口6 3 m m 逐渐减为5 0 m m ；围3 2 荷载作用位置示意图 钢管厚度为6 3 m m ；垫层厚度分别为3 0 、4 0 、5 0 r a m ，铺设范围为1 8 0 。，在末 端o 5 m 范围内厚度由5 0 m m 渐变为5 m m 。 ( 四) 坐标系和网格剖分 根据蜗壳整体结构特点，选择两种坐标系，进行计算结果输出。 1 、直角坐标系：在这里采用了两套直角坐标系，即整体直角坐标系和局部 直角坐标系。整体直角