（水工结构工程专业论文）黄鱼塘水电站钢筋混凝土岔管结构分析及设计研究.pdf

摘要 钢筋混凝土岔管是水电站地下工程的关键结槐，囊于冀结构影状复杂， 受力状况不明确，冀缝梭设计历来失人们所重视。特别是邋年来，隧着裹水 头、深埋藏戆大型水电站憨兴建，钢筋混凝岔管结构抟热模越来越大，它 懿重要性受为突出，从瑟把锻簸漫凝岔管结构豹辩磷、设计、莲王技术水 平接粕了个崭赣的阶段。 近年来，由于岔管缨梅鞠蓝大，若果鬟缝下埋藏式钢忿管，需要酶钢 树一般较浮，键褥钢岔管焊接工艺复杂、施工困难；凳予高恁下水的逾质条 释时，钢衬还容荔失稳破坏。因而，在地形和地质条件允许的情况下，应尽 爨采用遗下钢翁混凝土岔管，戳充分利期围岩来承担肉永压力，减薄衬砌浮 发，达到结构安全、经济合理的哥的。间钢徐管比较，钢筋混凝土岔管有着 节省钢材、降低工程造价、简化施工工序、加快工程进度、保证工程质量的 盥著优点。 钢筋混凝土岔管的应力分析直接关系到管道自身和与其相连的机器、设 备、土建结构的安全。通过计算，给出钢筋混凝土贫管结构及围岩在衬砌开 挖、承受内水压力、外水压力等荷载情况下产生的应力和变形，向人们揭示 围岩承担内水压力与初始地应力场的关系，并证明围岩具有很强的承担内水 盛力的能力，只要岩石条件较好，围岩覆盖厚度足够，采用钢筋混凝岔篱 是安全可行的。 岔簧设计的蓬点部位是岔楼处以及主管崴支管转折处的应力蹇度集中 区，该处的主拉应力远远超过了混凝土材料的设计抗拉强度。主篱稠支管段 树砌环向瘦力也郯大予混凝的设计抗按强度，科砌将拜裂，必须按照有关 l 麓范配麓稻应的钢筋，戳确保弓| 承岔管结构安全。从岔管的埋置深度方面进 行综合考虑，避免垦瀣水力劈裂懿产生。无论是内压工况还是外压工提，都 需要围岩参与承载。嘲岩的承载作用对于衬砌结构的安全具有重要影响，因 此将锚杆在围糟外面预留一定长度，并将其与衬砌内的钢筋焊接在一起。此 外，还应加强岔管凳溺岩麓阉结灌浆及回壤灌浆等工程措施，以保证圈岩与 树礤的熬俸性，提裹曝岩承载能力。 本文叙述了水电站钢筋混凝土翁管发展概况，提出了钢筋混凝土岔管结 构分析的有限元模型，总结了现行钢筋混凝土岔管结构计算的方法，给出了 钢筋混凝岔管结祷配荔设计方案。最后，对黄鱼塘销筋混凝岔管结构进 行了分孝斥及设计，该研究为葵它工稷的钢筋混凝岔管结构设计提供了可供 借鉴的经验。 关键词水电涎钢筋混凝岔管劈裂应力集中 n t 珏嚣a n a l y s i so ft h 戴r e i n f o r c 狂dc o n c r 嚣t e b i f u r c 囊曩l o np i p ea n e 攀珏ed e s i g nr e s e a r c ho ft h e h u a n g y u l l a n gh y d r o p o w e rs 】l a t i o n a b s t r a c t t h er e i n f o r c e dc o n c r e t eb i f u r c a t i o np i p ei st h ek e ys n u c n i r ei 1 2t h eu n d e r g r o u n dp r o j e c to f t h eh y d r o p o w e rs t 越o n p e o p l ea l w a y sp a ym o r ea t t e n t i o nt oi t sd e s i g nd u et ot h ec o m p l e xo f t h es t r u c t u r es h a p ea n dt h eu n d e s i n i t eo ft h ef o r c e dc o n d i t i o n t np a r t i c u l a r , i nr e c e n ty e a r s ，t h e s c a l eo ft h er e i n f o r e e dc o n c r e t eb i f u r c a t i o np i p eb e c o m e sg r e a t e ra n dg r e a t e rw i t h 血e d e v e l o p m e n to ft h eh i g hw a t e rl e v e ra n dt h ed e e pb 疆i e do fh u g eh y d r o p o w e rs t a t i o n ，i t s i m p o r t a n c eb e c o m e se v i d e n t t h e ni tm a k e st h er e s e a r c h 血ed e s i g na n dt h et e c h o n o l o g i c a ll e v e r o f t h ea n s t u c t i o no f t h er e i n f o r c e de o n e r e t eb i f u r c a t i o np i p es t r u c t u r ee n t e ran e w p h a s e ， i nr e c e n ty e a r s ，d u et ot h eb i gp dv a l u eo ft h eb i f u r c a t i o np i p e ，i ft h eu n d e r g r o u n db u r i e d s t e e lb i f u r c a t i o np i p ei sa d o p t e d ，t h es t e dp a di s g e n e r a l l ys h i c k e r , t h e nm a k ew e l d i n gc r a f t c o m p l e x 。a n dt h ec o n s t r u c t i o nd i 氆c u l t w h e nt h eu n d e r g r o u n dw a t e rl e v e ri sh i g h 也es t e e lp a d i sa p tt ob e c o m eu n s t a b l e i nar e s u l t ，i ft h et o p o g r a p h i c a la n dg e o b o g j l c a la o n d i t i o na r e a l l o w e d w es h o u l dt r yt oa d o p tt h ec o n d i t i o nr e i n f o r c e db i f u r c a t i o np i p e ，a n dm a k et h ea r o u n d r o c ku n d e r t a k et h ei n n e rp r e s s u r eo f t h ew a t e r , t h e nd e c r e a s et h et h i c k n e s so f t h ep a di no r d e rt o m a k et h es t r u c t u r es a f e ，e c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l e c o m p a r e dw i t ht h es t e e lb i f u r c a t i o n ，t h e r e i n f o r c e dc o n c r e t eb i f u r c a t i o np i p eh a sf o l l o w e de v i d e n ta d v a n t a g e s ：c u t t i n gd o w nt h es t e e l q u a n t i t y , d e c r e a s i n gt h ec o s to ft h ep r o j e c t ，s i m p l i f y i n gt h ew o r k i n gp r o c e d u ea c c e l e r a t i n gt h e p r o j e c tp r o c e s sa n de n s u n n g t i l ep r o j e c tq u a l i t y 霸艟s t r e s sa n a l y s i so ft h er e i n f o r c e dc o n c r e t eb i f u r c a t i o np i p ed i r e c t l ya f f e c tt h es a i l t vo f t h ep i p e l i n ea n dt h ej o i n i n gm a c h i n e ，e q u i p m e n t , u n dt h ec i v i ls t r u c r t r e 。t h r o u g ht h e c a l c u a t i o n ，t h et h e s i sp r o v i d et h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h er e i n f o r c e dc o n c r e t eb i f u r c a t i o n p i p ea n dt h ea r o u n dr o c k , u n d e rt h ep a de x c a v a t i n g , u n d e r t a k i n gi n n e rw a t e rp r e s s u r ea n dt h e e x t e r i o rw a t e rp r e s s u r e ，a n ds oo n ，t h e ne n c l o s et h er e l a t i o no ft h ei n n e rw a t e rp r e s s u r e u n d e r t a k e nb yt h ea r o u n dr o c ka n dt h ei n i t i a ls t r e s sp l a c eo ft h eg r o t h l d 、a n dp r o v et h ea r o u n d r o c kh a sm u c hs t r o n g e ra b i l i t yo fu n d e r t a k i n g 氇ei n n e rw a t e r p r o v i d e dt h er o c kc o n d i t i o ni s p e r f e c t ，a n dt h ec o v e rt h i c k n e s si se n o u g h t h er e i n f o r c e dc o n c r e t eb i f i t r c a t i o ni sf e a s i b l ea n d s a f e 。 1 1 始k e yo f t l l ed e s i g no f b i f u r c 撕o np i p ei st h es t r e s sf o c e sp o s i t i o no f t h ei n t e r s e c t i o na n d t h et u r n i n gp o i n to ft h ek e yp i p e l i n ea n dt h eb r a n c hp i p e ，i nt h e s ep o s i t i o n ，t h ep r i n c i p a lt e n s i o n s t r e s sg r e a t l ye x c e e dt h et e n s i o ns t r e n g t ho ft h ec o n c r e t e a sw e l la st h ew e bs r e s so ft h e p a d ，t h e nt h ep a ds p l i t so p e n , s ow em u s ta r r a n g et h es t e e lr e i n f o r c e m e n ta c c o r d i n gt h er e l a t i v e s t a n d a r d s , t oe n s u r et h eb i f u r c a t i o np i p e c o n s i d e r i n gt h eb u r i e dd e e po ft h eb i f u r c a t i o np i p e w e s h o u l da v o i dt h ea r o u n dr o c kw a t e rc r a c k i na n vc a s e , t h ei n n e rp r e s s u r eo rt h ee x t e r i o r p r e s s u r e c o n d i t i o nn e e dt h ea r o u n dr o c kt ot a k ep a r ti nu n d e r t a k i n gt h el o a d s 、t h eu n d e r t a k i n g o f t h ea r o u n dr o c ki n l p o r t a n f l ye f f e c tt h es a f e t yo f t h ep a d , t h e nr e s e r v i n gc e r t a i nl e n g t ho f t h e i i i a n c h o rb a ri nt h eo u t s i d eo ft h ea r o u n dr o c k ，a n dj o i n i n gt ot h es t e e lr e i n f o r c e m e n to ft h ep a d i na d d i t i o n ，w es h o u l de n e h a n c et h ep r o j e c tm e a s u r eo fc o n s o l i d a t e dg r o u t i n ga n dw i n d g r o u t i n gt oe n s u r et h ei n t e g r a t i o no ft h ea r o u n dr o c ka n dt h ep a d ，a n de n h a n c et h ea b i l i t yo f b e a r i n gt h ew e i g h t t h et h e s i si n t r o d u c et h eg e n e r a ls i t u a t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t eo ft h eh y d r o p o w e r s t a t i o n ，p r o v i d et h em o d eo ff i n i t ea n a l y s i s ，s u mu pt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，a n dg i v et h e a l t a n g e m e n to f t h es t e e lr e i n f o r c e m e n t 。f i n a l l y , t h er e i n f o r c e dc o n c r e t eo f t h eb i f u r c a t i o np i p ei n h u a n g y u t a n gh y d r o p o w e rs t a t i o ni sa n a l y s i z e da n dd e s i g n e d t h er e s e a r c hp r o v i d er e f e r e n t i a l e x p e r i e n c ef o rt h ed e s i 蔬o f t h eo t h e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eb i f u r c a t i o np i p e k e y w o r d s h y d r o p o w e rs t a t i o n ，b i f u r c a t i o np i p eo ft h er e i n f o r c e dc o n c r e t e ，c h o p p i n g c r a c k ，s t r e s sf o c t k g 符号说明 e 李孝粒静辩经模量 群材辩酌灏松比 f ，钢筋的抗拉强度设计值 p w m 践 钢筋的全部截面面积 镶簸潦凝主整稳懿结饕系数 截面肖效高度 截面高度 等效嶷力 繇商藏疲力 轴向聪应力 径向正威力 结构鬟婺性系数 浚诗状激系数 作用( 荷载) 效应函数； 结构构件抗力函数； 永久作用( 荷载) 分项系数 可交馋耀( 蔚载) 分项系数 永久彳筝麓( 萄载) 标准毽 可变作用( 荷载) 标准值 材料强腱设计值： 结构构件几何参数的标准德 结穆戆凌麓袋蓬 材料强度标注值 可变作用标准值的长期组合系数 最大裂缝宽度篷； 9 q 乇 4 羟 瓦 以 巧 q q您矿义州强嘎级矗椎 o w 。眦 a 9 2 a 3 c d 尹* “t e 裂缝宽度允许值 受力特征系数 锈麓袭嚣形获系数 荷载影响系数 最外滕环向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的躐离 钢筋碰径 环秘受控镶簸静有效琵籁率 有效受拉混凝土截面面积 独立完成与诚信声明 本人学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的学位论文， 没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本 人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果。特此郑重声 暖。 学位论文作者( 签字) ：壶、f 国嶷9 全 2 0 0 6 年5 胃2 6 目 第一章概述 第一章概述 1 1 钢筋混凝土岔管的运用概况 11 1 岔管的主要形式 1 1 1 1 岔管的结构形式 岔管有很多结构型式，按制造岔管的材料和岔管所用的加强方式两个特征来进行分类比 较方便，也利于结构分析1 1 。 ( 1 ) 明岔管 岔管用钢或钢筋混凝土制而成，全部荷载由钢或钢筋混凝土承受。明岔管按其所用加强 方式或受力特点，有以下结构型式：三梁岔管、内加强月牙肋岔管、贴边岔管、无梁岔管、 球形岔管、隔壁岔管。 我国5 0 年代建造的岔管，尺寸及内压不大，多为贴边式；6 0 年代由于高水头电站的出 现，梁式岔管应用较多；随着钢管的规模增大，大直径、高内压的三梁岔管，制作安装困难 较大，技术经济指标不佳，逐渐采用月牙肋贫管，少数工程还采用了球形岔管和无梁岔管。 ( 2 ) 地下埋藏式岔管 岔管位于岩体内，通常用于地下埋管的末端其特征是设计时考虑围岩分担岔管的内水压 力。按构造可以分为两种： 埋藏式钢岔管：钢岔管与围岩之间用混凝上填实，内水压力一部分经钢材及混凝土传 至围岩，钢衬防渗及承受部分内水压，构造及受力与地下埋管一样，但结构计算很复杂，需 用数值分析方法。比较简化的方法是按直管的办法计算围岩分担内水压的百分数，然后按明 岔管办法分析钢岔管的应力和强度。这种岔管的钢岔管部分，原则上可以采用前述明钢岔管 的任何一种结构型式。 埋藏式钢筋混凝土岔管：岔管是与围岩结合成整体的钢筋混凝士结构。当岔管尺寸较 兰! ! 查型查皇兰堕塑主兰垡笙塞 一 小、内压较低时，依靠围岩分担内水压，钢筋混凝土可以不开裂，同时起防掺和承载作用。 当岔管较大，特别是内压很高时，由于围岩承载后必然有相当变形，岔管形状复杂，必然会 有应力集中，因此钢筋混凝土很难不开裂，升裂后的钢筋混凝土在高内压下成为“透水衬砌”， 内水压将基本上转由围岩承受。这样，围岩成为承受内压和抗渗漏的主体。钢筋混凝土衬砌 可以减少内壁粗糙度和水头损失，钢筋可以减少裂缝宽度，有利于减少渗漏。当岔管尺寸很 大时。如果使用埋藏式钢岔管，运输和安装将难以实现，埋藏式钢筋混凝土岔管是最有利的 结构型式。显然，采用这种岔管时，必须要求围岩有很高的承载力和抗渗能力，因此往往要 求很大的埋藏深度，岔管离厂房要有足够距离，应做高压灌浆，并做好岩体的排水。这种岔 管在高水头大容量抽水蓄能电站中己得到很多运用。 ( 3 ) 钢衬钢筋混凝土岔管 钢岔管外包钢筋混凝士，两者共同承受内水压力。内部钢岔管即钢衬能起防渗作用，因 而外部的钢筋混凝土允许开裂，这样，钢衬和钢筋都能比较充分发挥作用。钢衬可根据需要 采用明钢岔管的某种型式，但由于钢筋混凝土参加承载，减轻了钢衬的负担，因而钢衬与单 独承载的明钢贫管相比，管壁可以减薄，加强构件也可以减轻甚至取消。这种结构不仅可以 节省钢板用量，使选材和工艺要求更简单，降低造价，而且结构安全性也比明彷管高。 1 i 1 2 岔管的布置形式 岔管的典型布置有以下三种： ( i ) h 形布置：如果要从主管中分出一支较小的岔管，或者两条支管的轴线因故不能作 对称布置时，可以用不对称的h 形布置。如图l - l 。 ( 2 ) 对称y 形布置：用于主管分成二个相同的支管。如图1 2 。 ( 3 ) 三岔形布置：用于主管直接分成三个相同的支管。如图1 - 3 。 2 第一章概述 图1 - 1r 型布置图1 - 2 对称y 型布置图1 - 3 三岔型布置 若机组台数较多，可采用y 形一b 形或y 形一三岔形组合布置。我国已建岔管的布置形 式中h 形布置居多。除因b 形布置灵活简便外，还因以往建造的岔管规模较小，用贴边补强 的多，较适合于b 形布置。 1 1 2 钢筋混凝土岔管的运用概况 在水利水电枢纽工程建设过程中不可避免要遇到一些地下工程问题，其中最常遇到是目 水隧洞和地下埋管。引水压力管道的p d 值( p 为压力管道承受的水头，d 为压力管道的直径) 提高很快。1 9 8 3 年原水电部部长钱正英提出了本世纪我国水电建设中水工建筑物方面必须解 决的四个关键技术，其中之一就是承受特殊高压的水电站压力管道。引水隧洞或地下埋管的 稳定性，对于整个电站，特别是对于抽水蓄能电站来说，更是能否正常高效运行的前提条件。 自从抽水蓄能电站1 8 8 2 年在瑞士苏黎世首次兴建( 当时功率还不足6 0 0 k w ) ，发展至今 己经有一百多年的历史。在开发大中型抽水蓄能电站的过程中，压力管道多采用联合供水或 分组供水的方式，一条主管需分出几条支管与各台机组连接，也就是说，发电引水管道的布 置采用一洞多机的方式，即一根引水管道向两台或两台以上的机组供水，如位于浙江安吉县 的天荒坪抽水蓄能电站引水压力管道的布置就是采用一洞三机；己建的广州抽水蓄能电站 期工程最大工作水头为6 1 0 m ，采用的是一洞四机的引水布置方案。这种情况下主管末端就需 要设置岔管。因此一般来说，分岔管位于压力管道的末端，并靠近厂房，因而内水压力较大， 水流情况和受力情况都较为复杂“。我国已建成的水电站共有岔管百余个，就这些岔管来说， 3 华i 水剁水电学院硕士学位论文 多是逢下岔管，藤置设诗中多不考虑溺爱零拯莓载。涟羲东邀韵溺设诗承平豹不鼗撵高、蓬 工技术逐渐发展以及新型施工工艺与方法的出现，越来越多的研究人员对这种完全不考虑围 岩的承载作用的分析方法表示怀疑，同时对于在实际工程中采用考虑衬砌与围搿联合作用的 镄麓漫凝岔管表瑷爨越来越大魏兴麓。 过去，对于离水头、大容量的撼承瞽能电菇设计方案中多是采用钢岔管。虽然钢岔管其 有强度高、防渗憔能好等优点，但是它也存在有许多缺点和问题，例如在承受外水压力作用 的情况下容易失稳，尤其是岔管的制谶秘维护工作较复杂，特别是将大直径分岔管设计成钢 缀结聿每，会带寒专冬多豹阉蘑帮困难，聪麓在逑下演室中安装镶岔管要开挖跑鑫鬻本身俸鍪尺 寸大得多的断面，以满足安装设备所需净空要求。混凝土的回填，工期长，投资也大。 近年来，许多地下电站以及抽水鬻熊电站岔管深埋于地下，且具有高水头、大直径的特 点。塞予岔警p d 馕大，若采霜遣下壤溅式钢岔警，嚣要鹣镪事重一般较潭，缓缮镄岔管滓接 工艺复杂，施王困难等；处于高地下水的地质条件时，钢衬还容易失稳破坏。因而，在地形 和地质条件允许的情况下，应尽量采用地下钢筋混凝土翁瞥，以充分利用围崭米承担内水压 力，减薄村砌厚发，遮劐结兹安全、经济合理豹霹酌。溺铡岔警 0 较，钢簸溅凝土岔管有着 节省钢材、降低工稔造价、简化施工工序、加快工程迸发、保证工程质量静熊瓣优点。然嚣， 离水头、深埋藏的钢筋混凝土岔管的痰全性、可行性还为嗣内设计者们所担忧。 采用钢筋混凝土岔管型式不仅使褥钢岔管存在的上述阅题迎刃而解，而且邂可以充分剥 麓嚣者寒承摇内承聪力，使岔管设诗经济会瑾。茏英是警岔罄深堙予震耋较妊懿豳岩中，更 是可以利用围岩来承受绝大部分的内水压力，节约大量的钢材，从而节省投赘，降低工程造 价。钢筋混凝士岔管在六十年代开始予舆地利，后来，随糟科学技术的发展，大型施工机械 鹣生产，施工方法鹣不錾改进，喷镪技术班及爆破控裁鼓零熬出现窝痤曩，器随纷绘采用， 如澳大利亚、南非、前苏联、德国、法国等。据不完全统计，目前，世界上融建成的使用钢 筋混凝士岔管的水电站达上百余座( 我闰也十余座) 。特别是从7 0 年代开始，装国、挪威等 4 第一章概述 一些水电较为发达的国家在建造一些高水头大容量的水电站中广泛采用地下钢筋混凝土岔管 。国外的成功经验在国内引起了广泛重视，并开始在几个地质条件相对较优越的水电站中 根据经验公式采用钢筋混凝土衬砌，如广州抽水蓄能电站，天荒坪抽水蓄能电站等。国外的 象美国的巴斯康蒂( b a t hc o u n t y ) 抽水蓄能电站，围岩情况并不太好，压力管道及其分岔管也都 采用钢筋混凝土衬砌。如何充分利用围岩来承担内、外水压力是一个重要的研究课题。国内 外越来越多的学者对其进行了广泛研究，并取得了一定的成果【3 】o 表1 1 列出了几个世界各国 的钢筋混凝土岔管结构的资料。 目前，我国已建成的水电站如：广州抽水蓄能电站一、二期工程，总装机2 4 0 万k w ， 是世界上最大的抽水蓄电站。引水高压岔管均为钢筋混凝土衬砌，岔管主管上游侧直径8 m ， 岔管侧与钢支管相连接，直径3 5 m 。高压岔管静水头6 1 0 m 。高压岔管全水头为7 2 5 m 。天荒 评抽水蓄能电站的输水系统钢筋混凝士岔管的内直径4 4 m ，长2 1 7 2 3 8 m 。岔管承受最大静 水头6 8 0 m ，最大动水头约8 0 0 m 。贵州省普定水电站用钢筋混凝土岔管代替钢岔管节省钢材 1 8 0 吨，节省制作安装费用6 2 4 2 万元等等。 但是和世界先进水平相比，我国在钢筋混凝土岔管的研究和应用上还有较大差距。如设 计、施工等技术问题。这些给我们带来一系列亟待解决的新课题。如钢筋混凝土岔管的开发 和利用、设计理论和方法、施工技术与工艺、质量控制与检测、运行机理等问题，都需要进 行科技攻关研究。 表1 1世界各国的钢筋混凝土岔管建设资料 装机 岔管主管岔管处静水 岔管覆盖 国家 电站名称围岩 0 1 w ) 直径( m ) 头( m )深( m ) 美国巴斯康蒂 6x3 5 08 6 04 1 03 1 5沉积岩 美国 赫尔姆斯3x3 5 08 2 35 7 6 3 5 0 花岗岩 英国狄诺威克 6x3 0 09 560 04 0 0 板岩 法国 蒙特齐克 4x23 05 34 6 94 0 0 花岗岩 中国广州 4 3 0 0 7 06 8 0 5 0 0 花岗岩 中国天荒坪6x3 0 07 06 8 050 0凝灰岩 华北水利水电学院硕士学位论文 1 2 钢筋混凝土岔管的理论研究概况 二十世纪五十年代以前，由于计算工作依赖手工，所以结构分析方法和理论仅仅局限于 线弹性范围内的解析法，结构模型仍然采用简化的理想模型，大多采用经验公式。五十年代 有限元的出现，使得钢筋混凝土岔管的理论研究进入了一个新的时期。六十年代，随着计算 机的发展及应用，工程力学、结构优化、结构非线性分析、结构动力计算等理论研究取得了 突破性的发展。所以理论研究也经历了由简单到复杂、由近似到精确的发展过程。 八十年代以来，徐次达和研究生许昌时提出了用分析板壳的“改进有限元混合法”，消除 了赫尔曼模式中的弱点，并指导研究生李雪春完成“有限元混合法”分析岔管的自动网格划分 程序，计算了1 0 9 个不同管径比及岔角的贴边岔管应力，并用图表表示出最大应力值及其位 置，这对岔管工程的设计具有实用意义。钢筋混凝土岔管的计算方法有以下几种： 1 2 1 “规范”的计算方法 以前我国水电站建设中的岔管设计技术是采用前苏联规范中的方法，人为地将几米直径 的岔管( 主管和支管) 所受的水压力分配给管壳的各部分，然后用结构力学方法求解，根本 不考虑管道交叉时的应力集中问题，同时为了保证安全，只能依靠1 ：1 的原形岔管进行内压 试验，直至破环，再返回到设计中考虑安全系数。用这种方法，要完成一项岔管设计，需经 过原形岔管试验，包括制造、运输、热处理、实测，然后设计、修改，再做试验等反复过程 设计周期长达两年。无疑，这大大地影响了水电站的建设速度。 1 2 2 有限元方法 地下钢筋混凝土岔管结构是一种复杂的多重介质空间结构，采用有限元数值方法进行优 化分析时，首先须对地下钢筋混凝土岔管结构进行离散化。复杂空间结构的有限元网格离散 剖分工作是一项繁杂费时的工作，而且数据输入时容易出现人为差错。有限元法虽然具有灵 活性、较强的适应性以及应用范围广泛等优点，但仍有精确度不高、工作量大和计算费用昂 6 第一章概述 贵、不符合我国国情的缺点。 12 3 有限元混合法翁管应力分析 徐次达在吸收和应用有限元法技术中，认为若将岔管的主管和支管用有限元位移法离散 后进行分析是可行的，但未必合适。因为当时有限元位移法中缺乏拼形灵活合适的三角形单 元，特别是应力依靠位移的导数求得，精度就不高。他认为只有应用有限元混合法来分析才 是合适的，其优点为应力精度高，这里所用的三角形单元性能良好，而且计算工作量不大。 后来，他推导出全部“有限元混合法”的板壳理论，并成功地应用于岔管的应力分析。为了使 岔管的设计能又快速又正确，请上海计算技术研究所的华伯浩同志编成“有限元混合法岔管应 力分析”的专用程序，同时请当时昆明勘察设计院钟秉章同志协助计算。1 9 7 5 年元旦，岔管 应力分析获得成功，并且多次被岔管应力实测试验所证实。岔管应力分析专用程序适用于任 何型式的岔管。 1 2 4 加权残值法计算方法 1 9 7 8 年，徐次达从美国计算力学专家r h 伽拉亨( g a l l a g h e r ) 在美国第二次计算结 构分析学术会议上所作的计算结构分析和设计未来二十年的展望报告中，得到启发。并 阅读了e d 埃逊( e a s o n ) 关于最小二乘法的文献和b a 费莱逊( f i n l a y s o n ) 关于流 体力学、热传导及化学反应等加权残值法的著作。徐次达认为加权残值法是一种数学方法， 可以直接从微分方程中获得近似解。加权残值法与有限元法相比，具有精度高、计算工作量 少、程序编制方便、计算费用很省的优点，完全可以作为符合我国国情的、新的固体结构计 算力学方法。这一想法，得到了钱令希的赞同和鼓励。 1 3 本文主要采用的计算方法 钢筋混凝土岔管结构施工过程分析及设计理论研究，主要考虑了混凝土岔管结构施工过 程中的技术因素和材料力学行为变化规律。对钢筋混凝土岔管结构设计理论进行了研究。给 7 华北水利水电学院硕士学位论文 出了混凝土施工过程中对结构的影响，确定了岔管结构分析的最不利工况。通过分析，提出 岔管结构的设计理论及结构设计方案。 钢筋混凝土岔管设计过程中，根据国内外设计的经验，在钢筋混凝土岔管的位置选择时 岔管应放在新鲜、完整、坚硬的岩体中，有足够的覆盖厚度。上覆盖厚度一般遵循的原则有 挪威准则及有限元计算准则。 1 3 1 岔管结构三维有限元计算模型 钢筋混凝土岔管布置主要由引水主管后分出两个支管与两台机组相连。其中，岔管布置 分别由岔管连通右支管、由分岔管连通左支管。主管和支管之间用h 形岔管分开，其中h 形 岔管直接由童岔管与右支管连通，分岔管与左支管连通。岔管结构的主管内径为4 5 0 m ，支 管内径为2 2 5 m ，岔管结构的主管、岔管、支管厚度为o 7 0 m 。并在岔管相贯部位采取加腋措 施，以克服岔管相冠部位的应力集中，在锐角相贯处加腋半径为1 , 0 m ，钝角相贯处加腋半径 为2 0 m 。 钢筋混凝土岔管所选取的模型模拟范围内，岩体均为大型块体结构，计算中将其划分为 8 节点等参块体单元s o l i d 4 5 。岔管可视为厚壳结构，将其划分为2 0 节点等参块体单元 s o l i d 9 5 。以便更精确模拟其力学行为。 水电站混凝土岔管结构计算模型边界条件。自岔管轴线水平面向下1 8 m 的水平底面，施 加沿铅直、岔管轴线水平向、岔管轴线垂直向的水平向三个方向的线位移约束。岩体顶部的 斜坡面及下游面按自由面处理。上游面及右、左侧面等铅直面施加应力边界条件，即地应力 边界条件。为了确定力边界条件，必须首先确定岩体中的初始应力场。确定地应力通常有两 种方法，一种常用的方法是根据自重应力场及构造应力场的特点，确定较符合计算区域地质 特点的力边界条件，应利用部分量测数据进行调整和修正。另一种方法是利用量测点的地应 力值对非均匀地应力场进行回归分析。本文采用第一种方法确定地应力，在有限元计算过程 8 第一鼙藏述 孛摆撼瘦力 睾为单元躲秘始威力进行诗算。 。3 2 岔营结桷计算模型模拟范强 模拟范围取自岔铃辜垂线水乎面向下1 8 m 处为岔管结构计箨模型的水平底萄，向上敬岩体 顶部的斜坡处；自岔管轴中心沿左支管轴中线取至3 0 m 处的锚直面为岔管结构计算模型的下 游面；自岔管轴中心滑左支管轴中线向上游取歪3 0 m 处的铅赢面为岔管结构计算模型的上游 瑟；蠡左支繁牟蠡中心线分别两左、右务取至1 8 m 、2 1 m ，并分涮在嚣处激两个镪壹嚣为岔管结 构计算模型的左、右侧西。即整个计簿模型的模拟范围约为6 0 m 3 9 m 8 8 m ( 沿支管轴线向 垂直左支管轴线向总高度向) 。 1 3 3 计算横毅选用单元 2 0 节点等参块体单元选用s o l i d 9 5 单元，s o l i d 9 5 单元是三维8 节点单元的一种高阶 单元，这种革元在模 耋i 不窥剐边界辩不会降低精度，s o l i d 9 5 单元爨有和醢边相容的变形形 竣，能缀好懿模撂趋边选爨条 串。这耱萃元其有2 0 令节志，每令节点其畜3 令乎动整由度， 单元具有任意的空间坐标。s o u d 9 5 单元具荫模拟塑性、蠕变，应力剐化，大变形和大应变 的特性。 8 节点等参块体荦元选用s o l i d 4 5 单元，s o l i d 4 5 应用于实体缭构的三维模型中，其有 塑蠖，蠕交，澎骚，疯力嚣g 诧，太变形和大疲交熬特性。该繁元具鸯8 个节点，每个节点具 有3 个平动自幽度。 混凝土岔管是一个空间铺构，对于混凝土岔管结构的分析采用2 0 节点等参块体s o l i d 9 5 单元，岩体结构采用8 节点等参块体s o l i d 4 5 单元，在结鞫计算中，必须考虑单元的局部坐 标系与整葬坐标系之润懿转换，蔻筵特提窭列羯子结毒霉豹分攒蕊臻。瑗挺岔饕结藕分藏一系 列的管段，丽每个管段为一个子结构。在每个管段分橱中，必须把每个块体荤元的局部坐标 系统转换到每个管段的坐橼系下，此坐标系为子结构坐标系。在岔管结构分析中，把每个 孽 华北水利水电学院硕士学位论文 管段的子结构坐标系再转换到结构的整体坐标系下，而后形成岔管结构的计算模型。 134 钢筋混凝土岔管应力分析 本文提出了围岩、混凝土等材料的数值模拟方法，通过计算，分析研究地下钢筋混凝土 岔管在施工、内压、外压等工况下，围岩、衬砌、钢筋的应力与变形，探讨岔管受力和破坏 的一些基本特性。 岔管的开挖支护过程分析原理，围岩采用理想弹塑性模型，屈服条件为d r u c k e r - - p r a g e r 准则。在围岩开挖过程中，作用于洞壁围岩的主要荷载是洞室岩体中的初始地应力及洞室的 开挖荷载。喷层采用壳单元来模拟，单元参数的选择与喷层实际的物理参数一致。对锚杆支 护作用的数值模拟方法，目前主要有锚杆单元法和等效连续法，采用等效连续法不具体模拟 每根锚杆，而是将加锚后得到改善的岩体力学参数反映到计算模型中去。这样可以方便地建 立模型，对大范围的锚杆支护模拟非常有效。 岔洞开挖后，围岩应力进行调整，形成二次应力场，在此基础上进行钢筋混凝土衬砌支 护。考虑到实际工程采用了回填灌浆措施，且混凝土与围岩有较大摩擦系数，因而假定在内 水压力作用下，衬砌与围岩间没有相对滑移。钢筋混凝土开裂前钢筋与混凝土间粘结良好 二者共同变形。混凝土线弹性分析中，取线弹性模型，不考虑开裂。在计算所得的应力基础 上，依据水工混凝土规范，通过拉应力图进行配筋。混凝土开裂非线性分析中，采用弹塑性 本构关系，并取组合破坏准则作为开裂准则，钢筋采用分布钢筋模式。 混凝土的破坏采用组合破坏准则，三向受拉应力状态时取最大主应力准则，三向受压应 力状态取w i i l i a m - - w a r n k e 五参数准则，其他应力状态取这两种准则的过渡型式。 从混凝土拉裂和压坏后的特征看，混凝土在拉伸破坏前，其应力应变是弹塑性本构关系。 当某方向的主应力大于拉伸破坏应力时，则发生拉伸破坏。裂缝出现后，混凝土变成正交异 性材料，应力应变关系是沿着破坏面和垂直于破坏面的方向建立起来的，垂直裂缝方向混凝 1 0 葵一章摄述 土的拉威力全部释放，转由钢筋承担，材料在雕坏后所有方向发生应变软化。多轴应力祭件 下，是邋避破坏雄戴寒判鼗糖精是黉篷薅，且一曼孝芎料压碎，璇强定压醛酸坏躲单元是各向 同性的，其单元刚度取为零。 进行树砌配筋计黧，根据线弹性计算的应力缕果，采用规范的拉应力图法进行断嚣熙麓。 由非线性有限元计算彳辱到的钢筋应力，根据规范的最大裂缝宽度计算公式，就可以初步估算 衬砌的裂缝宽度。 岔鬻段体型复杂，主管、支管程诧交叉穑餐，隧洞体型逮续往受至l 酸坏，特剐是两支管 相贯线上、下肢附近的顶、底板和德裆部及主管与支管母线转折处，在施工中是关键部位。 这些部穰往移较丈，藏力集中褒象魄较严重，蘩缝送范盈耪跫 牵深凄程对较大，是麓王中溺 室成形难度较大的部傥。除了对这魑部位及时施作喷锚支护外，还对岔裆她尖角以及主臀与 支警转爨楚送行掺嚣楚瑾，内、终东蓬力蒋雳下，岔警设计懿蓬点邦霞是岔鹚楚戬及圭繁囊 支管转折处。特别是嵇裆处，该处成力高度集中，线弹性计算该处主拉应力远远超过了混凝 土孝才辩豹设诗抗拉强发。与此同时，主管和支管段树砌环囊疯力氇都大予c 2 5 混凝的设计 抗拉强度，衬砌将开裂，必须按照肖关规范配露相应的钢筋，以确保引水徐管结构安全。从 岔管的埋置深度方耐遴行综合考虑，避免围岩水力劈裂的产生。无论是内压工况还是外压工 况，都需要围岩参与承载。围岩的承载作用对予衬砌结构的安全具有重要影响，困此将锚杆 在围岩外睡预留一定长度，并将其与衬砌内的钢筋焊接在一越。此外，还应加强岔管处围岩 的霉结灌浆及霞壤灌浆等工程措施，良保证围卷写衬砌的整体瞧，提高圈瓣承载魅力。将褥 砌内外水压力作为面力考虑，没有考虑衬砌的透水性。衬砌开裂后渗透性将大大增加，应作 力透承分袋考虑，按渗透髂力熬形蕊避行模毅，箕结莱应小予计算结栗。 钢筋混凝土岔管利用围岩分担内水压力，钢筋混凝土稼管水压劈裂与材料的屈服强度及 翅始缝藏篷专蹇接关系，是一令复杂豹趸 罨j 线瞧淘蘧。晷内岁 镀戆混凝主岔管豹劈裂攀教 的教训告诉我们，钢筋混凝土岔管一旦劈裂，将造成巨大的缀济损失。然而如果设计得过于 l l 牮i b 承翊零电学陵鞭士学位论文 保守，将会浪费钢材并给施工带来不便。所毗，选择一种能较真实地反映钢筋混凝土岔管应 力的计算方法具有巨大的工程实用价值。 1 4 本谍题的研究方案 1 4 1 课题的研究内豢 ( 1 ) 针对东毫懿戆下钢筋混凝土岔警海蘧，挺出院i e 劈袭懿工程氆藏； ( 2 ) 针对水电站地下钢筋混擞土岔管受压的劈裂问题，通过用传统解法的求解( 主鼹是 运雳了鸯鬟投残篷法、畜疆元解法) ，锻窭魄较，势分攒各秘转绞瓣法孛存在豹楚题； ( 3 ) 针对水电站地下钢筋混凝土岔管劈裂问题，提出用三维有限元法求解的新思路； ( 4 ) 采雳圆拄竞元法，建立赫瓣蠢隈单元模式，提出缝麴攀元的离教纯模型，建立爨挺 壳元的位移模式，摊爵相应的几何方程、物理方程、单元弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵； ( 5 ) 借鉴已有的有限元计算软 牛，编制三绒有限元法的计算程序； ( 6 ) 拟通过对钢筋混凝土岔瞥劈裂进行机瓒分析，验证三维有限元法分析结果的合邋往 和正确性。 1 4 2 课题的技术路线 水娥站钢筋混凝岔管应力的结构设计准则蹙控制因素。这些结构在压力季篁用下发生劈 裂的过稷中，往往存在几何上和物理上的双重释线性因素的影响。 1 4 。2 。l 计葵方法 首先求解初始地威力场。将所取计算范围的顶部加垂直荷载，侧向加水平荷载，求解在 这耱萄彰l 迭雾条锌下，整令霾岩痰的初始地应力场。 接鬻求解二次应力场。在初始威力场中开挖岔管，洞同图岩产生了变位、松弛，应力重 新分布，形成了二次威力场。 第三求解单位内水压力作用下，围岩和衬砌的应力及变位情况。开攘聪，做上混凝土衬 1 2 第一章溉避 砌，承受内水压力，内水压力作用在衬砌内壁上，卒寸砌和围岩在一起向外变形，共同承担内 水雁力。 再求麟肇位癸拳压力修建下，混凝李尊窃熬应力及交绽媾况。为安全谤，将乡 永压力嶷 接作用在辛尊砌步 边缘上，树砌将向外变形，承受压力。 最后假设衬砌开裂，求解内水压力直接作用在与衬砌邻接的围岩界面上后，围岩的应力 与变位情况。 对于这襻一令复杂熬窝蘧，麓一般套羧元送行努辑鲣壤，采成一器确定熬蕈元节点整够 通过插值来描述待定的各种失稳波形，将遇到单元多、自由度多、精度差、耗费机时等困激， 同时还存在大型特征方程求解问题和许多难以克服的困难。若用三维有限元法，则能较好地