（水工结构工程专业论文）直埋式巨型蜗壳结构静动力特性及其施工仿真分析.pdf

摘要 摘要 蜗壳结构是水电站厂房结构中的重要部分，其结构复杂，受力特点各异。随 着西部水电大开发的不断深入，高坝、大库、大型机组越来越多，水电站机组的 单机容量越来越大，蜗壳的h d 值也急剧增长，蜗壳日趋向巨型化发展。对于巨 型蜗壳，其结构尺寸更趋庞大，受力条件更为复杂，结构安全和设计优化尤显突 出。本文应用有限单元法，参照三峡水电站机组蜗壳深入研究巨型直埋式蜗壳结 构的静动力特性和施工仿真分析，主要研究内容如下： ( 1 ) 通过截取蜗壳整体在进水口处的一部分，建立混凝土与钢筋分离式模型， 首先通过分析内水压力对蜗壳外围混凝土裂缝分布的影响确定了诱导缝的布置位 置，接着从裂缝分布和裂缝宽度的角度，分别探讨了诱导缝的布置位置、宽度、 深度、等效强度和诱导缝缝数对蜗壳外围混凝土裂缝分布的影响。 ( 2 ) 截取蜗壳整体的一半，建立混凝土与钢筋分布式模型。接着分三种工况 ( 机组停机检修、机组正常运行未遭遇地震和正常运行遭遇地震) ，对机组在正常 运行时遭遇地震的情况下蜗壳外围混凝土的结构特性进行研究，并且选取了四个 典型断面，分别从位移、位移响应、应力和应力响应等方面进行比较分析。 ( 3 ) 对蜗壳外围混凝土的施工过程进行仿真模拟，其中考虑水泥水化热、混 凝土弹模、温度和边界条件随时间的变化，并分别从浇筑季节、保温措施等方面 进行分析比较。 本文在建模及计算过程中尽可能真实地模拟实际工程结构，通过数值模拟得 出了一些有益结论，具有理论研究意义和实际应用价值。 关键词：蜗壳；裂缝；诱导缝；直埋式：地震；仿真模拟 a b s t m c t a b s t r a c t s p i m lc a l s ei so n eo ft h em o s ti m p o n a n tp a r t st ot h ew o r k s h o po fh y i l m p o 、e r s t a t i o n i t ss t r u c t u r ei sc o m p l e x ，a n di t ss t r e s sc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i 腩r e n t w i t ht h e i n c r e a s i n g l yd e 印e re x p l o r a t i o no fh y d r o e l e c t r i cr e s o u r c ei nt h ew e s t ，m o r ea n d m o r e h i g hd a m s ，h u g er e s e r 、，o i r sa n dg i a n tu n i t sa r ee m e r 西n g ，t h es i n g l e u m tc a p a c i t yi s i n c r e a l s i n g l yb i g g e r ，t h ev a l u eo fh da l s oi n c r e a s e sr a p i d l y m es t y l eo fs p i r a lc a s ei s i n c r e a s i n g l yl a 唱e r t bg i a n ts p i m lc a s e ，i t ss i z ei sl a 曙e r i t ss t r e s sc o n d i t i o ni sm o r e c o m p l i c a t e d ，锄de s p e c i a i l yt h es a f - e t ) ，o fs t m c t u r ea 1 1 dd e s i g no p t 访1 i z a t i o ni st h em o s t i m p on ；a n t a p p l y i n gt h ef e ma n da c c o r d i n gt ot h eu n i to ft h et h r e eg o 唱e sh y d r o p o 、v e r s t a t i o n ， t h e p a p e rm a i n l y s t u d i e st h es t a t i c - d y n 锄i cb e h a v i o u ra n dc o n s t r u c t i o n s t i m u l a t i n ga n a l y s i sf o rt h ed i r e c t l ye m b e d d i n gg i a n ts p i m lc a s e t h em a i nc o n t e n t sa r e l i s t e da sf o l l o w s f i r s t l y m es e p a r a t em o d e lo fc o n c r e t ea n dr e i n f o r c e m e n ti sc r e a t e dt 1 1 i o u g h i n t e r c e p t i n go n ep a r to fs p i r a lc a s ea tt h ei n l e t f i r s to fa l l ，t 1 1 es e tl o c a t i o n so fi n d u c t i v e c r a c k sc a nb ek n o 、v nb ya n a l y z i n gt h ee f ：f 色c to fi n n e rp r e s s u r eo nt h ec r a c kd i s t r i b u t i o n o fo u t e rc o n c r e t e t h e ni nt e m ：1 so fc r a c kd i s t r i b u t i o na n dc r a c kw i d m ，m es e t1 0 c a t i o n ， w i d t h ，d e p t h ，e q u i v a l e n ts t r e n 昏ha n dn u m b e ro fi n d u c t i v ec r a c kt h ee f r e c t so ft h e s e f a c t o r so nc r a c kd i s t 曲u t i o no fo u t e rc o n c r e t ea r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y s e c o n d l y ，m ed i s t r i b u t e dm o d e io fc o n c r e t ea n dr e i n f o r c e m e n ti sc r e a t e dt 1 1 j o u g h i n t e 雠p t i n gh a l fp a r to fs p i r a lc a l s e t h e nt h es t 九j c t u r eb e h a v i o u ro fo u t e rc o n c r e t ei s s t u d i e di nt l r e ec o n d i t i o n st h a ta r ec o n d i t i o no fs e r v i c e 、v h e nt h eu n i ts h u t 未d o w 玑 c o n d i t i o no fn oe 舳q 咙汰ew h e nt h eu n i tf u n c t i o n s r l o n n a l l y ，a n dc o n d i t i o no f e a n h q u a l ( eh a p p e n i n gw h e nt h eu 1 1 i t 向n c t i o n sn o n m l i y a n df o u rt y p i c a is e c t i o i l sa r e s e l e c t e dt oc o m p a r et h er e s u l t so fd i 虢r e n tc o n d i t i o n si nt e n i l so fd i s p l a c e m e n t ， d i s p l a c e m e n tr e s p o n s e ，s t r e s s 觚ds t i e s sr e s p o n s ee t c f i n a l l y ，c o n s t r u c t i o ns t i m u l a t i n ga n a l y s i so fo u t e rc o n c r e t eo fs p i m lc a s ei sd o n e ， a n dt h ef a c t o r st h a ta r ec e m e n th y d 眦i o nh e a t ，e l a s t i cm o d u l u s ， t e m p e r a t u r ea i l d b o u n d a r yc o n d i t i o na r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h ec o m p a r i s o na n da i l a l y s i sa r ed o n e i nt e 彻so fs e a s o n so f p o u r i n ga n dm e a s u r e so fh e a ti i l s u l a t i n g i nt h ep r o c e s so fc r e a t i n gm o d e l sa n dc a l c u l a t i o n ，a c t u a ls t l l l c t u r e sa r es t i m u l a t e d a s p o s s i b l e i nt h e p a p e r s o m ea v a i ! a b l es u m m a r i e sh a v e b e e na c h i e v e dt h r o u g h n u m e r i c a ls t i m u l a t i n g t h e s er e s u i t sm a k es e n s eo fa c a d e m i cr e s e a r c ha n dc a nb e a p p l i e dt oa c t u a le n g i n e e r i n g 1 1 河海大学硕士学位论文 k e ) 唧o r d s ：s p i r a lc a s e ，c r a c k ， i n d u c t i v e c r a c l ( ， i n d i r e c t l ye m b e d ， e a i r t h q u a l ( e ， s t i n l u l a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：力财年夕瑚日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海 大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：捌年巧月即日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 建国5 0 多年以来，特别是改革开放3 0 年以来的努力建设，中国的水电事业 有了巨大的发展，从1 9 7 8 年水电装机不足1 0 0 0 万千瓦，到2 0 0 2 年我国水电总装 机已达到8 3 0 0 万千瓦，约为世界的1 1 强，在国内的电力供应中约占1 7 左右， 2 3 年水能资源的开发比例达到2 3 。随着我国国民经济每年以7 9 左右的 速度发展，电力工业必须保持5 6 的年增长率，每年需新增装机容量，包括 火电、水电应在1 0 0 0 万千瓦以上。如果在2 0 1 0 年水电装机容量达到电力装机容 量的3 0 ，水电装机容量应达到1 5 x 1 0 4 亿千瓦，则需在2 0 0 0 2 0 1 0 年期间，开 工建成水电站5 3 0 0 万千瓦，其中3 3 0 0 万千瓦为大型水电站【l j 。而且根据中国工程 院能源项目组提出的中国可持续发展能源战略研究总报告指出，2 0 5 0 年我国 需要开发水电装机容量2 6 亿2 9 亿千瓦( 不包括抽水蓄能) ，年发电量( 1 3 6 1 8 5 ) 1 0 4 亿度，基本达到我国水电开发的极限1 2 l 。 我国国民经济“十五 计划纲要中，明确要求积极发展水电，抓紧长江上游 水电开发前期工作，开工建设龙滩、小湾、水布垭、构皮滩、三板溪、公伯峡等 一大批大型水电站。而且国家已经制定十二大水电能源基地建设计划，并开始对 雅鲁藏布江、怒江等进行前期的水资源调查、勘测。越来越多的大型水电站投入 建设，水电站机组的单机容量必然也越来越大。蜗壳的h d ( h 是指蜗壳承受的内 压水头，d 是指蜗壳进口断面的直径) 值也急剧增长，蜗壳日趋向巨型化发展【3 】。 单机容量的增加虽然降低了水轮机的成本，但随之也引起了一系列问题【4 5 】。 例如，巨型水电站蜗壳埋设方式的选择；蜗壳和座环在不平衡水推力的作用下可 能产生明显的绕机组中心线变形；水轮机钢蜗壳重达数百吨，钢板厚度超过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；高水头、大容量混流式机组的运行稳定性和由此诱发的厂房振动问题普遍 存在且日益突出。其中，蜗壳埋设方式的选择关系重大。它不仅直接影响水电站 厂房的尺寸和施工工期，而且还决定了钢蜗壳和外围混凝土的受力和变形特性， 甚至会影响机组的安全稳定运行。因此，巨型水电站蜗壳埋设方式的选择问题近 年来备受关注。 按照水轮机的型式、水头和流量的不同，蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳 两种型式1 6 j 。一般当水轮机的最大水头在4 0 m 以下时，为了节约钢材，多采用钢 筋混凝土浇制的蜗壳，简称混凝土蜗壳。混凝土蜗壳也有用在水头大于4 0 m 的情 况，此时可在蜗壳内壁作钢板衬砌，钢板的厚度为1 0 1 6 m n l ，仅作为防止渗漏与 摩损的保护层，目前最高的己经达到8 0 m 。当水轮机的最大工作水头在4 0 m 以上 河海大学硕士学位论文 时，蜗壳通常是由钢板焊接或钢铸造而成，统称为金属蜗壳。目前在建和将建的 电站多为高水头大流量电站，故都采用了金属蜗壳。本文研究的蜗壳均为钢蜗壳。 蜗壳是水轮机的重要过流部件，也是埋入混凝土中的大型隐蔽设施之一，其 结构型式不仅需要满足使有效水头的损失达到最小，还要有足够的强度和刚度以 保证机组的安全运行。 蜗壳结构系统不仅要承受巨大的内压水头和厂房上部结构传来的荷载( 上部荷 载主要包括混凝土结构自重、机组重量及其它各种附属设备重量等) ，还直接或间 接承受着竖向、径向、切向的不平衡水推力、机械力和电磁力等动力荷载。尤其 是水轮机的机械和水力不平衡力等振动荷载，通过水导轴承和轴承支承结构传递 到座环和钢板上，由此再向外围钢筋混凝土结构传递；同时，水轮机流道的内部 脉动压力也主要由蜗壳结构及尾水管承担并向外传递。因此，蜗壳结构的力学特 性直接关系到机组的运行稳定性和厂房各构件的振动水平。 国内外对蜗壳结构的实验与有限元分析己做过不少工作，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，尤其是对巨型水电 站蜗壳结构的研究更为突出。 对蜗壳结构的裂缝宽度和裂缝分布情况，一直没有完善的研究成果。本文将 在以往研究的基础上，首先探讨采用设置设导缝的方法改善裂缝分布的效果，接 着对蜗壳结构在机组运行遭遇地震时的受力特性和裂缝可能开展部位进行了研 究，最后对蜗壳外围混凝土进行了混凝土浇筑仿真分析。 1 2 蜗壳埋设方式 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、充水保压蜗壳、有弹性垫层蜗壳【7 】和直埋式蜗壳。 ( 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 的中小 型水电站，按规范对其进行结构计算，在己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 ) 充水保压蜗壳 长期以来，美国多采用充水保压浇筑混凝土的蜗壳。这种方法最先由田纳西 流域管理局( t v a ) 在2 0 世纪3 0 年代初作为最优方法而推广。美国机械工程师协 会( a s m e ) 的压力容器标准规定所有压力容器都必须进行水压试验，蜗壳作为压 力容器的一种，采用充水保压的型式，也满足了a s m e 标准的要求。这样，水压 试验和充水保压蜗壳就作为历史惯例而存在于美国。田纳西流域管理局和陆军工 2 第一章绪论 程师团几乎全部采用设计静水压作为充水保压的压力值的方法，仅有少数几个工 程采用过低于正常静水压下浇筑混凝土的做法。 加拿大对中高水头的大机组多采用充水保压蜗壳，其中有拉格朗德二级、丘 吉尔瀑布等大水电站。在巴西，2 0 0 m w 以上机组，即使水头不高，也采用这种结 构型式。西方其他国家对大中型机组，也多采用充水保压蜗壳，单机容量超过 5 0 0 m w 机组的水电站，如古里、伊泰普等，无一例外均采用了这种结构。此外， 高水头、大容量的可逆式抽水蓄能机组，采用充水保压蜗壳者居多。 我国近年来开始采用充水保压蜗壳这种结构。1 9 9 1 年天生桥二级电站l 4 号 机组( 单机容量2 2 0 m w ) 是我国大型机组最早采用充水保压蜗壳的。随后，广州 抽水蓄能电站一、二期工程、潘家口电站抽水蓄能机组、十三陵、二滩( 单机容 量5 5 0 m w ) 、天荒坪( 单机容量3 0 0 m w ) 等工程的机组都采用了这种结构，正在 建设的三峡水电站( 单机容量7 0 0 m w ) 机组采用的也是这种结构型式。随着更多 的大容量、高水头常规机组和抽水蓄能机组的建设，充水保压蜗壳在我国有更多 应用的趋势。 ( 3 ) 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分内水压力，可充分利用钢材 自身强度。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，而外围钢筋混凝土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 振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，欧洲其他国家的几个水电站蜗壳也在上部布设弹性 垫层。 ( 4 ) 直埋式蜗壳 钢蜗壳不设软垫层，也不充水保压而直接浇筑外围混凝土的结构，实质上是 一种内水压力全部由钢蜗壳和外围混凝土完全联合承载的结构。钢衬钢筋混凝土 完全联合承载蜗壳具有些特点： 1 ) 相比其他蜗壳埋设方式，在减薄钢衬厚度方面，直埋式蜗壳更具优势，钢 蜗壳不按单独承担全部内水压力设计。 河海大学硕士学位论文 2 ) 安全性和可靠性一般认为较高。这是基于以下因素：钢衬制作和检验的质 量容易被保证：与钢筋混凝土完全联合承载的钢衬不存在局部应力和应力集中， 钢衬工作条件比较有利；钢衬承受的脉动荷载小，有利于抗疲劳；在整体结构中， 钢衬和钢筋二种不同的受力构件的缺陷( 例如焊接缺陷) 位置不致重合，接缝可 以错开，二者同时发生断裂事故的概率极小。 3 ) 结构刚度大，变形小，有利于保证机组运行的稳定性和抗振性能。作为水 轮机基础的座环和与之焊接在一起的钢蜗壳始终被嵌固在大体积钢筋混凝土中， 刚度增大，自振频率增加，在荷载作用下变形( 包括扭转、偏转) 减小，受脉动 荷载的影响减小，导致机组抗振性能和运行稳定性的提高。 根据现有工程实践【8 l ，前苏联是实现了真正意义上完全联合承载蜗壳( 即钢蜗 壳减薄，采用中等强度钢板，仅按不到一半的内水压力设计) 的唯一国家，而且 这种蜗壳的单机容量最大已达6 4 0 m w 。发达国家，主要是日本，采用完全联合承 载蜗壳的也较多，但是与前苏联不同，这些国家的钢蜗壳是按单独承担全部内水 压力设计制造的，并不因外围钢筋混凝土而将钢蜗壳减薄。 近年来，随着蜗壳尺寸的急剧增大，如三峡工程蜗壳直径高达1 2 4 m ，蜗壳外 围混凝土厚度相对较薄，按我国现行规范设计，外围钢筋混凝土结构将承担很大 比例的内水压力，导致裂缝范围和宽度较大，配筋量大和配筋布置困难；同时， 外围混凝土较大范围开裂后，机组支承结构和厂房水下结构的整体刚度和抗振性 能可能会有所降低，从而对机组的运行稳定性造成不利的影响；另一方面，过于 密集的配筋将导致蜗壳周围管路布置和混凝土施工困难。因此，要将这种蜗壳结 构型式应用于巨型机组，还需要更多的研究工作。本文依据三峡电站蜗壳的结构 尺寸建立巨型蜗壳模型，从裂缝、应力和变形特性等方面探讨了直埋式蜗壳应用 于巨型工程的可行性。 1 3 蜗壳外围混凝土裂缝研究现状 水工混凝土建筑物的裂缝是比较常见的病害，它一直困扰着水工工程师。国 家在“七五 攻关项目中就列入了“高混凝土坝的裂缝及其防治研究课题，取 得了不少成果，但问题并未彻底解决，而且大多数研究主要着眼于设计与施工中 的混凝土坝，对于运行期的中小型水利枢纽工程如何防止出现裂缝，有了裂缝如 何控制和治理，如何评估裂缝对建筑物的危害等方面仍存在不少问题。 由于蜗壳系统结构复杂，前期在混凝土浇筑时在温度应力的作用下会产生一 定的温度裂缝。而在后期蜗壳投入运行时，蜗壳外围混凝土由于内水压力的作用， 容易在与钢蜗壳接触的部位产生裂缝。 对于蜗壳外围混凝土裂缝的研究，一方面，文献1 9 。1z j 对水电站钢蜗壳分别在施 4 第一章绪论 工期和运行期蜗壳的温度应力进行了初步计算，并得出蜗壳外围混凝土温度裂缝 的分布情况；另一方面，文献【1 3 。1 5 1 对混凝土蜗壳和钢蜗壳在内水压力等作用下的 裂缝开展进行了深入的研究，对蜗壳钢筋配筋具有指导意义。 对于蜗壳结构的裂缝开展状况、裂缝宽度计算以及如何控制裂缝方面的研究 比较少。以往的计算中，往往通过提高配筋率来控制裂缝开展，但由于蜗壳结构 复杂，裂缝的开展不同于一般钢筋混凝土结构，因而效果并不明显。 1 4 论文的主要工作 本文针对水电站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 ) 从裂缝分布和裂缝宽度的角度，分别探讨了诱导缝的布置位置、宽度、 深度、等效强度和诱导缝缝数对蜗壳外围混凝土的影响。 ( 2 ) 接着分三种工况( 机组停机检修、机组正常运行未遭遇地震和正常运行 遭遇地震) ，对机组在正常运行时遭遇地震的情况下蜗壳外围混凝土的结构特性进 行研究。 ( 3 ) 最后对蜗壳外围混凝土的施工过程进行仿真模拟，其中考虑水泥水化热、 混凝土弹模、温度和边界条件随时间的变化。并分别从浇筑季节、保温措施等方 面进行分析比较。 第二章诱导缝对蜗壳混凝土裂缝的影响 第二章诱导缝对蜗壳混凝土裂缝的影响 2 1 引言 诱导缝作为一项主要的温控结构构造措施，被广泛采用在拱坝和重力坝中。 对于拱坝和重力坝来说，各自诱导缝的应用是不一样的。 拱坝中布置诱导缝，主要是由于碾压混凝土拱坝断面较小，混凝土的碾压施 工相对较快，大量的水化热无法在短时间内散发掉，而且碾压混凝土拱坝很少设 横缝，即使设横缝，横缝的间距也是很大，否则便不能发挥碾压混凝土快速施工 的特点。另外在整体式碾压混凝土拱坝中，坝体的弧长与其厚度的比值均较大， 是一长条形的结构，从温控角度来说，是较为不利的，由于温降产生的拉应力和 碾压混凝土干缩等很容易导致混凝土沿坝体最薄的方向即横截面方向产生裂缝， 而解决这问题的最简单易行的办法就是设置诱导缝，所以拱坝中诱导缝是沿整个 横截面布置的。但诱导缝仅部分地削弱所在横截面，坝体实际上并未完全断开， 因而它仍保留了一部分甚至大部分抗拉强度，在诱导缝被拉断之前，尚能传递部 分拉应力和压应力，坝体应力分布不受诱导缝存在的影响，保证了拱坝的整体性。 并且诱导缝设有止水和灌浆管，开裂后能选择适当时机进行灌浆，可保证拱坝在 运行期的完整性。 布置在重力坝中的诱导缝，主要是应用在严寒地区碾压混凝土大坝冬季停浇 面上。这是因为在冬季碾压混凝土的内外温差较大，如果控制混凝土的最高温度， 将很不经济，如果采取对混凝土进行保温的方法，也不能从根本解决大坝上下游 以及停浇面的不规则裂缝。具体做法就是在坝段上下游的停浇面附近或者在基础 约束区的停浇面上制造一个施工缝薄弱面，让混凝土在冬季在薄弱面上产生应力 集中而开裂，在第二年恢复浇筑后在施工缝处回填灌浆或浇筑膨胀混凝土。因施 工缝的上游面设有止水片，也就没有渗透的途径。当然诱导缝也可能不张开，对 重力坝来说不成为问题。 蜗壳是水电站水下部分的重要结构之一，其结构形式不仅需要使有效水头的 损失达到最小，还要有足够的强度和刚度以保证机组安全运行。根据以往的实际 工程，钢衬和钢筋的应力控制已经不是蜗壳设计的主要问题，但由于蜗壳结构复 杂，受力情况特殊，在腰线处很容易出现贯穿性裂缝，一旦贯穿裂缝形成，将破 坏结构的整体性，改变设计安排的应力分布图形，改变蜗壳结构的受力条件，从 而有使局部甚至整体发生破坏的可能。即使是一般的裂缝对混凝土的耐久性也是 有损害的，对蜗壳结构具有不可忽视的影响。 由于蜗壳结构的复杂性，蜗壳结构裂缝的开展不同于一般钢筋混凝土结构， 而有其特殊性，通过改变配筋率和钢筋布置来改善裂缝分布情况在蜗壳结构中效 7 河海大学硕士学位论文 果并不明显，因此本文拟通过在蜗壳结构中设置诱导缝的方法控制裂缝开展。诱 导缝是指在混凝土块体内人为地设置的一条潜在的缝，它承压不受拉f 1 o l 。当出 现受拉情况时，诱导缝自行张开，消除拉应力，保护其周围混凝土块不再产生裂 缝。但诱导缝只是部分地削弱了横断面，实际上蜗壳结构并未完全断开，结构横 断面仍保持了一部分甚至大部分抗拉强度。在诱导缝被贯穿性拉断之前，仍保持 一部分甚至大部分抗拉强度，尚能传递部分拉应力和压应力，保证了蜗壳结构的 整体性。 本章首先对未设置诱导缝的蜗壳结构进行计算，然后根据上述结果在应力最 大处和裂缝扩展集中处，确定诱导缝在蜗壳外围混凝土中的设置部位。接着通过 在蜗壳结构中设置若干诱导缝，建立相应的模型，从应力分布和裂缝分布的角度， 讨论诱导缝对蜗壳结构的影响规律。 2 2 诱导缝的强度和布置位置 诱导缝对裂缝的控制效果主要受两方面因素影响：第一是缝断面的结构和形 式等问题。目的是降低缝面的强度，以确保诱导缝能按预期要求及时开裂；第二 是诱导缝布置位置问题。选择合理的位置，使诱导缝能按预期要求拉开。 为了和常规的强度设计方法保持一致，诱导缝考虑其削弱强度而形成其独具 特色的强度破坏判断指标等效强度。“等效强度”反映了有面积削弱的诱导缝 抵抗拉力的能力，其值可以通过诱导缝在破坏时其截面的平均应力值来确定，有 了这样一个强度指标，诱导缝的设计就变得简单易行、概念明确，大大减弱了分 析和计算的复杂程度。 诱导缝“等效强度”这一概念不同于一般材料强度的概念【2 心4 1 ，其特色在于： ( 1 ) 其大小不仅与材料本身有关，还与诱导缝的形状、大小和布置有直接的联系； ( 2 ) 作为诱导缝截面破坏的判断指标，为了便于设计分析，并不要求对诱导缝本 身复杂的应力状况进行分析，而是把诱导缝截面混凝土平均应力值与诱导缝等效 强度相比较，就可以判断诱导缝的开裂情况。可见，诱导缝“等效强度 并不是 一个简单的材料概念，而是一个结构概念。 由于诱导缝是靠自身拉应力的放大先诱使结构在设缝处先开裂，故诱导缝应 布置在结构拉应力较大的部位，缝处的拉应力放大后应大于其相邻位置的任何拉 应力值。 2 3 诱导缝的模拟 在蜗壳结构中设置诱导缝后，缝面的工作性态是研究的重点，对于评价设缝 后的利弊至关重要。因此，有限元计算模型应尽可能考虑其实际情况。结构诱导 缝的显著特点是承压不受拉，将可能出现的拉应力释放转移。迄今为止，国内外 河海大学硕士学位论文 s o l i d 6 5 单元的基本属性包括： 每个单元有2 2 2 个高斯积分点，所有材料分析都是基于高斯积分点来 进行； 用弹性或弹塑性模型来描述材料的受压行为： 破坏面由应力空间定义，当应力达到破坏面时，则出现压碎或开裂； 使用弥散固定裂缝模型，每个高斯积分点上最多有三条互相垂直的裂缝； 可以使用整体式钢筋模型。 2 4 1 1s o l i d 6 5 的破坏面 s o l i d 6 5 的单元的破坏面为改进的w _ i l l i a mw a n 龇五参数破坏曲面，需要以下 几个参数来加以定义：单轴受拉强度z ，单轴受压强度z ，双向受压强度厶，以 及在某一围压霸下的单向受压强度五和双向受压强度石。需要说明的是，a n s y s 要求输入的是这些参数的绝对值。在缺少多轴试验参数的情况下，a n s y s 只要求 输入石和z ，a n s y s 默认为： 厶= 1 2 z ( 2 一1 ) 蚓= 现 ( 2 - 2 a ) 彳= 1 4 5 正 ( 2 - 2 b ) 五= 1 7 2 5 z ( 2 2 c ) 如果在a n s y s 中给以赋一个负值，则相当于受压破坏面不起作用，只考虑受 拉软化效应，a n s y s 中是否达到破坏面的判断可以用以下方程加以概括，即 曼一s o( 2 3 ) c 其中，f 为应力组合；s 为破坏面。 为了反映混凝土在不同应力组合下的破坏行为，a n s y s 对混凝土的破坏面进 行了分区，根据应力组合分为以下四种类型： o q 吒吒：压一压一压分区 q 0 吒：拉一压一压分区 q 吒02 吒：拉一拉一压分区 l o 河海大学硕士学位论文 吲= 击 r ，( 1 + y ) e o o 0 o 0 00 00 0 上二ooo l yl y 二上ooo l yl y ( 2 - 4 ) 其中，r 。为开裂后混凝土的割线模量，如图2 4 所示；局为裂缝张开时的裂面剪 力传递系数。 p l t ：p l 6 图2 4a n s y s 中混凝土开裂软化曲线 f i g2 4c u r v eo fc o n c r e t ec r l c ka n ds o f t e n i n g 有两条裂缝时，混凝土的本构矩阵为： 1 2 0 o 屏一2 0 l 一2 0 屏一2 o o 0 o 0 0 o 0 第二章诱导缝对蜗壳混凝土裂缝的影响 谚 = e尼，竺00 e o 竺oe o0 l o oo 0 0 0o o0 有三条裂缝时，混凝土的本构矩阵为： 谚 = er 。e oo 0 or 7e0000r 7e0000 0o 0 0 o 0 o00 o( 2 5 )( 2 6 ) a n s y s 中，混凝土开裂后应变软化至6 倍的开裂应变时，应力降低为零。裂 缝闭合后混凝土的本构矩阵为： 吲=丽禹 (1一l，) i，yo 00 y ( 1 一y ) yo0o yi ， ( i y ) 00o oo o 孱半o o 0 o 0 o 用闭合裂缝剪力传递系数屈来表示开裂引起的混凝土抗剪能力下降。 1 3 ( 2 7 ) 一y o 屏一h一2 一、， 一y 屏一h o 一2 一d o o o 届一h o o 一致 一力 o o o o o 屏一h 一放 一力 o o o o 屏一h o 一致 一力 一及 o o o 局一h o o 。半 尼 半。 河海大学硕士学位论文 a n s y s 中裂缝闭合的判据为：开裂应变 o 。 开裂应变的定义为： = 斧+ 南( 譬+ ) 七v s c k 只有一条裂缝 有两条裂缝 ( 2 8 ) 有三条裂缝 ) = 【丁扛】 s ，【丁庸】为坐标转换矩阵。 = 。 + 毛 一 彰卜 ) ( 2 9 ) 其中，z 为荷载步数； 。) 为前一步的弹性应变； 巳 为应变增量； 为热 应变增量： ) 为塑性应变增量。 2 4 2 钢筋模型 s o l i d 6 5 中提供了分布式钢筋模型，即假设钢筋以一定的角度分布在整个单元 中，通过定义各个方向的配筋率来模拟钢筋混凝土。钢筋的方向如图2 5 所示。并 假设钢筋与混凝土之间存在在良好的粘结，在这种假设下，钢筋弥散在整个单元 中的，单元被视为由连续均匀的材料组成1 3 l l 。 z x 图2 5 钢筋方向 f i g2 5s t e e lr e i n f o r c e m e n to e n t a t i o n 钢筋对整个结构的贡献，是把弹性矩阵改为钢筋和混凝土两部分，求得复合 单元刚度矩阵，这可用虚功方程推导出。复合单元本构矩阵的表达式为： 【叫= ( 1 一辟) 【砬】+ 屏【d ，】 ( 2 1 0 ) 1 4 第二章诱导缝对蜗壳混凝土裂缝的影响 式中：【d 】为复合单元本构关系矩阵；屏为钢筋体积与总单元体积之比，亦称配筋 率。 由式( 2 1 0 ) 可以看出，复合单元的本构关系矩阵【d 】是由两部分叠加起来的， 一部分是混凝土的【4 】矩阵，一部分是布置在各方向的钢筋的【d r 】，二者贡献之 和，组成了复合材料单元的本构关系矩阵。 在钢筋混凝土结构中，钢筋主要在顺长方向起作用，钢筋是一维的，因此钢 筋只要采用一维本构关系就可以满足工程的需要，钢筋的应力一应变关系可以用 下式表示： 咿 + 麓一，蓑乏 协 q 2 t + e ( 。一勺) 当。 2 。 式中：q = 耳为钢筋屈服强度对应的应变。 图2 6 简化钢筋应力应变曲线 f i g2 6 s t r e s s - s t a i na p p r o x i m a t ec u r v e 2 4 3 混凝土裂缝模型 在钢筋混凝土结构的有限元模型中，常用的裂缝模型有以下两种：( 1 ) 分布 裂缝模型【3 2 l ；( 2 ) 离散裂缝模型。a n s y s 中的s o l i d6 5 单元开裂就是采用分布裂 缝模型。模型的主要优点是能够自动生成裂缝，不需要改变单元的几何布局，而 且在任何方向上都可以形成裂缝，不需要预先指定裂缝方向。 分布裂缝模型认为开裂的混凝土还保持某种连续性，裂缝是以一种“连续的 形式分布于单元中。在第一条裂缝出现以后，混凝土就变成了正交异性体，这就 需要重新给出增量形式的本构关系矩阵。设单元的主应力按代数值大小排列， q 吼吒，如其中最大主应力q 大于混凝土的抗拉强度，则认为裂缝在该单元 河海大学硕士学位论文 的高斯点上产生，并且假定裂缝方向垂直于q 方向。开裂后，最大主应力q 将被 释放，应力重新分布，同时，混凝土的应力应变关系矩阵由弹性形式调整为非线 性形式。 2 4 4 钢衬模型 钢衬是典型的空间板壳结构，本文采用a n s y s 中的s 0 1 i d l 8 5 单元来模拟钢衬。 原型钢蜗壳中每个管节由4 块管片组和与座环相连的过渡段组成，由于每个管节 都是由相同厚度的管片组成且考虑网格优化划分以及焊缝对于结构有限元计算的 结果并无影响，为此只按原型尺寸模拟管节数和各管节与座环相交的相对位置。 2 4 5 座环及固定导叶的模拟 座环根据原型尺寸采用s o l i d7 3 单元模拟，固定导叶采用壳单元s o l i d l 8 5 单 元，模拟时对固定导叶作适当的简化，简化原则：( 1 ) 保持横截面积不变；( 2 ) 保持在座环中的相对位置不变。这样可以保持固定导叶及座环的整体刚度基本不 变。 2 4 6 约束的模拟 由于蜗壳及其座环结构，可以近似视为一种循环对称结构，因此在计算中选 取一定旋转角度的蜗壳结构进行分析。在对蜗壳截面( 垂直水流方向) 施加约束 时，本章采用的方法不是直接在截面上施加约束，而是通过分别沿水流方向延伸 一定的蜗壳截面，形成新的结构。这两部分结构也施加一样的荷载，但不设钢筋， 所起的作用是可称为“结构约束。 2 5 算例分析 2 5 1 计算模型及材料参数 某水电站蜗壳进口断面直径1 2 3 4 m ，采用直接埋入法蜗壳型式。由于蜗壳进 水口处的外围混凝土最薄弱，在内水压力等荷载作用下裂缝开展较大，因此本章 以图2 7 到图2 9 所示进口断面约1 5 。范围的钢蜗壳及外包钢筋混凝土为研究对 象，建立计算模型( 注：图中尺寸标注单位为m m ，高程标注单位为m ) 。模型中包 括钢蜗壳、座环、导叶、钢筋和外围钢筋混凝土单元，其中钢蜗壳和座环采用板 壳单元，蜗壳外围混凝上采用s o l i d 6 5 单元，钢筋采用l i n k 8 单元，蜗壳钢衬厚度 为5 0 m m 。材料力学参数见表2 1 。对于闭合型裂缝，剪力传递系数取o 8 ：对于张 开型裂缝，剪力传递系数取0 3 。 1 6 第二章诱导缝对蜗壳混凝土裂缝的影响 r j 丑 l 监跑l l 一勉q q i 图2 7 蜗壳断面示意图( m m ) f i g 2 7 t h es e c t i o n so fs p i m lc a s e ( m m ) 图2 8 整体网格图 f i g 2 8 m e s h e so fw h o i em o d e l 1 7 河海大学硕士学位论文 图2 9 钢筋布置示意图 f i g 2 9 【，a y o u to fb a r si ns t r u c t u 陀 层钢筋 表2 1 材料力学参数 亿l b l e2 1m e c h a n i c a lp a 姗e t e r so fm a t e r i a l 密度弹性模量抗压设计强抗拉设计强 材料名称泊松比 k g m 刁 g p a 度，a度a c 2 5 混凝土2 4 0 02 8 00 1 6 71 2 51 3 钢衬 7 8 5 02 0 5o 3 03 1 03 1 0 钢筋 7 8 5 02 0 50 3 03 1 03 1 0 混凝土与钢筋组合是最常见的一种组合方式，一般说来，可供选择的方法有 以下三种： ( 1 ) 整体式模型，直接利用s o l i d 6 5 提供的实参数建模，其优点是建模方便， 分析效率高。但是缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域，且得到钢筋内力比 较困难，主要用于有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件中，譬如剪力墙或楼板结 构。 ( 2 ) 分离式模型，用空间杆单元“n k 8 建立钢筋模型，并且和混凝土单元共 用节点。其优点是建模比较方便，可任意布置钢筋并可直观地获得钢筋的内力。 缺点是建模比整体式模型复杂，需要考虑共用节点的位置，且容易出现应力集中拉 1 8 第二章诱导缝对蜗壳混凝土裂缝的影响 坏混凝土的问题。 ( 3 ) 分离式模型，前两种混凝土和钢筋组合方法假设钢筋和混凝土之间位移 完全协调，没有考虑钢筋和混凝土之间的滑移，而通过加入界面单元的方法，可 以进一步提高分析的精度。同样利用空间杆单元l i n k 8 建立钢筋模型，不同的是混 凝土单元和钢筋单元之间利用弹簧模型来建立连接。不过，由于一般钢筋混凝土 结构中钢筋和混凝土之间都有比较良好的锚固，钢筋和混凝土之间滑移带来的问 题不是很严重，一般不必考虑。 由于截取的蜗壳模型较小，在外围混凝土模型中布置钢筋较为方便，因此采 用分离式模型模拟钢筋混凝土。 2 5 2 荷载及组合 在蜗壳结构所承受的各项荷载中，除内水压力外，其他荷载皆为定值。内水 压力随着库水位的变化而变化，因此有必要探讨内水压力的变化对与裂缝开展的 影响。某电站在正常运行时，与水轮机蜗壳有关的荷载包括：定子基础总荷载 6 0 0 0 斟；下机架( 含所有转动部分) 总负荷2 7 1 6 0l 洲；水轮机层楼面活荷载 2 0 0l 斟m 2 ；结构各部分自重；蜗壳内水压力，由于库水位变化不会很大，因 此本章选取内水压力变化也不大，分别取为1 0 m p a 、1 3 m p a 、1 5m p a 、1 7 m p a 和1 8m p a 的情况进行计算。由于所取的蜗壳模型为真实结构的约l 2 0 部分，因 此荷载、分别取上述总荷载的l 2 0 进行计算。本章计算主要荷载组合为：设 备重量+ 结构自重+ 内水压力( 即项荷载) 。 2 5 3 内水压力对裂缝开展的影响 2 5 3 1 不同内水压力对裂缝分布的影响 五种不同内水压力作用下蜗壳结构的最终裂缝分布见图2 1 0 。其中网格中的 短线段实为a n s y s 软件中代表裂缝的圆圈，其法线方向为平行各典型断面的方 向，因此圆圈才在图上显示为短线段。为了更好的说明裂缝的分布，以蜗壳圆心 朝座环方向为0 。方向，以逆时针方向为正。比较图2 1 0 ( a ) 2 1 0 ( e ) ，在内水压力 为1 o m p a 时，在约1 5 。至1 6 5 。以及1 9 5 。至2 8 0 。范围内，蜗壳结构的内周侧 的一定范围内出现了裂缝。此外在蜗壳腰线处的外侧也出现了些许的裂缝；当内 水压力为1 3 m p a 、1 5 m p a 时，在约1 5 。至1 6