充水保压蜗壳对减少机组振动PPT课件.ppt

第十三章水电站厂房结构设计 第一节主厂房的结构布置设计 第二节厂房混凝土浇筑的分期和分块 第三节厂房结构的分缝和止水 第四节厂房上部结构分析 第五节发电机机墩 第六节金属蜗壳 第七节尾水管 1 第一节主厂房的结构布置设计 水电站厂房的结构组成 2 水电站厂房的结构组成及作用 上部结构 屋盖结构 屋面板 屋架或屋面大梁 吊车梁 排架柱 发电机层 装配场层楼板 厂房围护结构 墙 抗风柱 圈梁与连系梁 上部结构为板 梁 柱系统 3 下部结构 机墩 蜗壳 水轮机座环 尾水管 基础混凝土及上 下游承重墙 4 一 上部结构1 屋顶 屋盖结构 围护和承载 包括 1 屋面板 隔热 遮阳 避风雨 直接承受屋面荷载 如风 雪和自重等 传给屋架或屋面大梁 材料 预制钢筋混凝土大型屋面板 隔热层 防水层 保护层 2 屋架或屋面大梁 承受屋面板传来的全部荷载及自身重量 传至排架柱或壁柱 5 2 排架柱承受屋架或屋面大梁 吊车梁 外墙传来的荷载和排架柱自重 并将它们传给厂房下部结构的大体积混凝土 3 吊车梁承受吊车荷载 包括起吊部件在厂房内部运行时的移动集中垂直荷载 以及吊车在起重部件时 启动或制动时产生的纵 横向水平荷载 并将它们传给排架柱 6 排架柱的布置 柱距尽量统一 分缝处一般设双梁双柱 立柱最好不要直接落在尾水管顶板或钢管上 横梁和立柱截面尺寸由强度要求初估 7 4 发电机层和安装间楼板发电机层楼板承受着自重 机电设备静荷载和人的活荷载 传给梁并部分传发电机机座和水轮机层的排架柱 安装间楼板承受自重 检修或安装时机组荷载和活荷载 传到基础 8 5 围护结构 1 外墙 承受风荷载 并将它传给排架柱或壁柱 2 抗风柱 承受厂房两端山墙传来的风荷载 并将它传给屋面大梁和基础或厂房下部大体积混凝土块体 3 圈梁和连系梁 承受梁上砖墙传下的荷载和自重 并传给排架柱或壁柱 9 水电站厂房的结构组成 10 二 下部结构1 发电机机墩承受从发电机层楼板传来的荷载和水轮发电机组等设备重量 水轮机轴向水压力和机墩自重 并将它们传给座环和蜗壳外围混凝土 11 2 蜗壳和水轮机座环 固定导叶 将机墩传下来的荷载通过座环传到尾水管上 另外水轮机层的设备重量和活荷载通过蜗壳顶板也传到尾水管 3 尾水管承受水轮机座环和蜗壳顶板传来的荷载 经尾水管框架 尾水管顶板 闸墩 边墩和底板构成的 结构再传到基础上 12 一 厂房主要荷载 1 厂房自重 压力水管 蜗壳及尾水管内水重 2 厂房内机电设备自重 机组运转时的动荷载 3 静水压力 尾水压力 基底扬压力 压力水管 蜗壳及尾水管内的水压力 永久缝内的水压力 河床式厂房的上游水压力 厂房的受力和传力系统 13 4 厂房四周的土压力 5 活荷载 吊车运输荷载 人群荷载及运输工具荷载 6 温度荷载 7 风荷载 8 雪荷载 9 严寒地区的冰压力 10 地震力 14 二 厂房的传力系统 自重与活荷载 15 下游水压力下游墙河床式上游水压力上游墙岸边式渗水压力上游墙伸缩缝渗水压力蜗壳混凝土地基扬压力基础混凝土风荷围护结构排架柱基础雪荷载屋盖结构排架柱基础 其他 16 第二节厂房混凝土浇筑的分期和分块 分期目的 由于机组到货一般均迟于土建的施工期 为了适应水轮发电机组的安装要求和厂房形状的变化 厂房中的混凝土需要分期浇筑 称为一期混凝土和二期混凝土 厂房混凝土浇筑的分期 17 原则 满足机电设备安装和埋设的要求 对机组分期安装 分期运行的厂房 应满足初期运行时稳定 强度和防渗的要求 18 厂房混凝土分期分块 19 一期混凝土 底板 尾水管 尾水闸墩 尾水平台 上下游边墙 厂房构架 吊车梁 部分楼板等 在施工时先期浇筑 以便利用吊车进行机组安装 20 二期混凝土 为了机组安装和埋件需要而预留的 要等到机组和有关设备到货后 尾水管圆锥钢板内衬和金属蜗壳安装完毕后 再进行浇筑 二期混凝土包括金属蜗壳外的混凝土 尾水管直锥段外包混凝土 机座 发电机风罩外壁 部分楼层的楼板 21 混凝土浇筑的分层 分块 水电站厂房水下部分的混凝土属于大体积块体混凝土 其特点是现场浇筑量大 结构几何形状复杂 基础高差大 对裂缝要求严格 由于受混凝土浇筑能力的限制和为了适应厂房形状的变化 因此每期混凝土要分层分块浇筑 混凝土浇筑分层 分块是为了便于施工和保证工程质量 22 分层分块原则 1 必须保证主机组安装方便 2 浇筑缝应设在构件内力最小的部位 3 分块的大小应与混凝土的生产能力 浇筑方法与强度相适应 4 分块必须尽量使工作过程具有最大的重复性 以简化施工和便于模板的重复使用 23 厂房混凝土分期分块 24 厂房结构的分缝 1 沉降伸缩缝 为防止厂房地基不均匀沉陷 减小下部结构受基础约束产生的温度和干缩应力 沿厂房长度方向设置的伸缩缝和沉降缝 永久缝 特点 一般都是贯通至地基 只在地基相当好时 伸缩缝才仅设在水上部分 但也需每隔数道伸缩缝设一道贯通地基的沉降伸缩缝 2 施工缝 根据施工条件设置的混凝土浇筑缝 临时缝 第三节厂房结构的分缝和止水 25 1 岩基上大型厂房通常一台机组段设一永久缝 中小型水电站可增至2 3台机组设一条永久缝 2 在安装间与主机房之间 主副厂房高低跨分界处 由于荷载悬殊 需设沉降缝 3 坝后式厂房的厂坝之间常沿整个厂房的上游外侧设一条贯通地基的纵缝 4 永久缝的宽度一般为1 2cm 软基上可宽一些 但不超过6cm 26 主副厂房 安装间 尾水平台间的分缝 27 厂房水上部分的永久缝中常填充一定弹性的防渗 防水材料 以防止在施工或运行中被泥沙或杂物填死和风雨对厂房内部的侵袭 厂房水下部分的永久缝应设置止水 以防止沿缝隙的渗漏 重要部位设两道止水 中间设沥青井 止水布置主要取决于厂房类型 结构特点 地基特性等 应采用可靠 耐久而经济的止水型式 厂房结构的止水 28 在厂房最高尾水位以下部分永久缝的迎水面需设止水 竖向止水与水平止水之间形成封闭系统 以保证不致循缝向厂内渗水 29 止水材料 紫铜片 镀锌铁皮 塑料止水等 重要部位加设沥青井 施工缝止水 水下部分施工缝 新混凝土浇筑前 在老混凝土面上预贴沥青油毡止水 并在迎水面加设塑料止水或铜片止水 30 第四节厂房上部结构分析 上部结构与一般工业厂房无异 现浇梁系屋面板 肋形结构 主 次梁及板 屋面梁或屋架 预制屋面板 大型电站也有采用钢绗架的 屋架系统 31 屋面大梁与立柱可能是整浇 成为整体式刚架 大梁与立柱的连接为刚性 也可能是装配式的 大梁与立柱的连接为铰接 若为整浇 梁截面一般做成矩形 梁高一般为梁跨的1 12 1 8 32 荷载 自重 吊车梁与钢轨及其附件 吊车垂直最大轮压 吊车横向水平制动力 纵向不考虑 计算内容 内力计算并据此配筋 挠度验算 限裂验算 吊车梁 吊车梁 单跨简支梁或多跨连续梁 33 吊车梁通常采用T型断面 其高度一般为跨度的1 5 1 8 梁宽约为梁高的1 2 1 3 翼板厚度一般为梁高的1 6 1 10 宽度不小于35cm 34 主梁 次梁 主 付厂房楼板计算 肋形结构 荷载 板 梁自重 楼面固定设备 楼面活荷载 其中起吊物在计算板时乘动力系数 内容 主 次梁及板 双向板或单向板 的内力与配筋计算 35 发电机层楼板多采用板梁式结构 楼板厚度一般为15 25cm 次梁间距可为1 8 2 2m 双向板次梁间距可达2 5 3 0m 也可采用纯板式结构 其相应楼板厚度可能到50cm 装配场楼板承受的荷载特别大 通常采用整体式板梁式结构 楼板厚度一般为25 50cm 次梁间距1 5 2 5m左右 发电机层主梁高度约为跨度的1 8 1 12 梁宽约为梁高的1 2 1 3 36 空间构架简化为平面构架进行计算 主厂房排架 各种工况下可能的荷载 结构自重 屋盖系统 吊车梁 各楼板梁系 厂房围护结构传来荷载 风荷载 温度应力 地震力及可能的上 下游水压力 计算简图 主要视立柱与梁的连接形式 相对刚度确定其简图 37 计算内容 A 内力计算及配筋 其中梁为受弯构件 立柱为偏心受压构件 B 位移验算 吊车梁侧向水平位移不得超过1cm 38 吊车起吊能力 10吨 吊车起吊能力 10吨 吊车起吊100吨左右时 排架柱尺寸估算 39 机墩 发电机机墩为发电机支承结构 除了承受自重等荷载外 还直接承受机组运转中产生的振动荷载 所以必须要有足够的刚度 防止出现共振和过大的变形 立式机组的发电机支承结构中 圆筒型机墩采用最多 第五节发电机机墩 40 1 垂直静荷 结构自重 发电机 机架及附属设备重 2 垂直动荷 发电机转子带轴 励磁机转子重 水轮机转轮重 水轮机转轮轴向水压力 3 水平动荷 正常运行与飞逸时由于机组偏心所引起离心力 4 扭矩 转子与定子磁场作用引起扭矩 分正常运行和短路两种工况 短路扭矩是正常扭矩的3 5倍 作用在机墩上的荷载 41 计算情况 机墩的计算情况为 1 正常运行情况 荷载组合 垂直静荷 垂直动荷 正常水平动荷 正常扭矩 2 短路情况 荷载组合 垂直静荷 垂直动荷 正常水平动荷 短路扭矩 3 飞逸情况 荷载组合 垂直静荷 垂直动荷 飞逸水平动荷 42 计算机墩立柱应力并校核确定是否配筋 A 轴向正应力 x的计算 B 环向剪应力计算 C 主应力和孔口应力计算 D 计算内力和配筋 静力计算 圆筒式机墩的计算 水平推力引起的环向剪应力 水平扭矩引起的环向剪应力 44 动力计算 A 校核是否发生共振 自振频率强迫振动频率 分别为垂直 扭转 水平 径向 自振频率 可由相应计算确定 分别为正常运行偏心振动 飞逸运行时偏心振动 叶片与固定导叶水力不平衡强迫振动频率 可由相应计算确定 45 B 动力系数校核 由于的计算不很精确 为安全计 机墩强度计算时采用的动力系数 不能小于1 2 1 5 C 振幅验算 振幅验算包括 垂直振幅A1 水平径向振幅A2 水平扭转振幅A3 振幅验算要求 垂直振幅小于0 15mm 水平振幅小于0 20mm 46 1 结构型式发电机风罩一般为圆筒式 厚度30 50cm 风罩底部与机墩整体连接 顶部与发电机楼板的连接 连接方式有三种型式 风罩 机墩 楼板 发电机风罩 47 2 结构计算 1 计算情况和荷载组合 风罩计算情况为 1 正常运行 2 正常运行 温度影响力 3 施工情况 正常运行 施工荷载 风罩有这样几种荷载 结构自重 发电机层楼板荷载 发电机上机架千斤顶推力 正常运行时 温度影响力 施工荷载 施工时发电机安装调圆时千斤顶传给风罩的推力 48 1 薄壁圆筒将风罩取为薄壁圆筒 按轴对称力矩理论计算内力 圆筒的约束情况为 底部固结 顶部则视与发电机楼板的连接方式而定 2 形框架风罩与发电机楼板整体连接时 可以在风罩上切取圆周向为单宽的竖向杆件 连同楼板组合成 形框架 竖杆底部为固结 2 计算方法 49 3 钢筋配置 风罩配置竖向和环向钢筋 都是内外壁各布置一层 环向筋一般为 10 20mm 间距为20 25cm 竖向筋一般为 16 30mm 间距为16 20cm 50 根据金属蜗壳外围混凝土结构的受力情况 可分为三种结构形式 1 钢蜗壳外铺设垫层后浇筑外围混凝土 简称垫层蜗壳 2 钢蜗壳在充水保压状态下浇筑外围混凝土 简称充水保压蜗壳 3 钢蜗壳外直接浇筑混凝土 既不设垫层 也不充内压 简称完全联合承载蜗壳 第六节金属蜗壳 结构形式 51 蜗壳与外围混凝土结构示意图 充水保压蜗壳 垫层蜗壳 52 钢蜗壳外包垫层与混凝土隔开的结构 以往在我国和苏联普遍采用 只要钢蜗壳的材料选择正确 工艺及安排措施适当 蜗壳是可以安全工作的 但是这种结构存在着一些问题 1 设计时考虑由钢蜗壳单独承受内水压力 因此钢板用量多 2 壳体与座环连接处 特别是采用蝶形边连接时 壳体有弯曲应力 而且正好位于焊缝处 对强度不利 垫层末端处壳体有局部应力集中 垫层蜗壳 53 3 垫层材料仍然会传递荷载 因而内水压力实际上不可能由钢蜗壳完全承担 必然有部分内压外传 外包钢筋混凝土必须考虑这部分荷载 而且由于垫层材料变形是非线性的 且可能随时间变化 要精确地估计传给混凝土的载荷比例是比较困难的 4 钢蜗壳与外包混凝土之间有垫层 二者不能形成整体 对机组抗振和钢蜗壳抗疲劳不利 这些问题 随着机组容量的增大 会更加明显 54 采用铺垫层的蜗壳 单机容量最大的 国内是三峡和龙滩水电站 单机70万kW 国外是俄罗斯克拉斯诺雅尔斯克水电站 单机50万kW 苏联专家认为 这种型式蜗壳HD值的极限是1200m2 更大的蜗壳不宜采用垫层 55 国内外大型垫层蜗壳有关参数 56 充水保压蜗壳 钢蜗壳充水保压状态下浇筑外包混凝土的蜗壳结构 是一种部分联合承载的结构 充水的水压愈大 联合承载的程度愈小 充水保压的蜗壳主要有以下一些优点 1 钢蜗壳及外包混凝土内应力比较均匀 2 钢蜗壳与外包混凝土之间的荷载分配比例可以根据需要选择 而且荷载分配明确可靠 57 3 运行时 钢蜗壳能贴紧外包混凝土 可以依靠外包混凝土减少蜗壳及座环的扭转变形 减少机组振动 有利于稳定运行 充水保压蜗壳对减少机组振动 保证机组运行稳定性的作用 对于大型机组和抽水蓄能机组更加重要 这也是这二种机组广泛采用充水保压蜗壳的主要理由 58 实现充水保压蜗壳 主要需要付出的代价 1 增加了加压设备的费用 充水保压的主要设备是蜗壳进口闷头及座环内封环 这二件的重量一般为水轮机总重的10 如果一套加压设备供4台机组使用 则相当于每台机增加了水轮机重的2 5 59 2 增加了机组安装工期 根据国内常规机组蜗壳及进口的抽水蓄能机组进行水压试验及充水保压浇筑混凝土的实践看 需要占用机组安装工期2周 对于新设计 机组尚未招标的电站 可以通过机组安装的总体进度安排 保证机组按期投产 60 美国长期以来 多采用充水保压浇筑混凝土的蜗壳 加拿大对中高水头的大机组多采用充水保压的蜗壳 其中有拉格朗德二级 邱吉尔瀑布等大水电站 在巴西 20万kW以上的机组 即使水头不高 采用充水保压蜗壳 西欧对大中型机组 多采用充水保压蜗壳 西方的单机容量超过50万kW机组的水电站 无一例外都采用充水保压蜗壳 此外 高水头 大容量的可逆式抽水蓄能机组 采用充水保压蜗壳居多 61 我国近年来也开始采用充水保压的蜗壳 1991年开始发电的天生桥二级电站1 4号机组 单机容量22万kW 是我国大型机组最早采用充水保压蜗壳的 广蓄 潘家口抽水蓄能 十三陵 二滩水电站 天荒坪抽水蓄能电站等 随着更多的大容量 高水头常规机组和大容量抽水蓄能机组的建设 充水保压蜗壳在我国有更多应用的趋势 62 国内外大型充水保压蜗壳有关参数 63 完全联合承载蜗壳 苏联是这种蜗壳的首创者 从60年代起 苏联在克拉斯诺雅尔斯克和布拉茨克两座巨型水电站开展了钢衬与钢筋混凝土联合承载的研究 萨扬舒申斯克水电站及其64万kW机组也是世界上迄今采用完全联合承载蜗壳的最大水电站和最大机组 北欧国家和日本采用完全联合承载蜗壳的较多 但是与苏联不同 64 我国尚无完全联合承载蜗壳的工程实践 八十年代曾经结合龙羊峡水电站300MW机组进行了完全联合承载结构的整体结构模型试验 取得了研究结果 本世纪初 结合三峡水电站700MW机组 进行了完全联合承载结构的可行性论证研究 提出了在三峡水电站右岸厂房或地下厂房机组采用完全联合承载蜗壳的建议 但是没有做深入的研究 65 国内外大型完全联合承载蜗壳有关参数 66 1 设计荷载和计算情况 A 结构自重 B 由发电机支撑结构传来的荷载 C 水轮机层地面活荷载 正常运行情况为上述三种基本荷载的组合 蜗壳外围结构设计 67 目前外围结构设计中 一般还是采用平面框架结构力学方法计算内力 2 内力计算 蜗壳外围结构是指水轮机层以下蜗壳外围的二期钢筋混凝土结构 它是一个整体性强的空间结构 体型复杂 除了用三维有限元分析其空间应力状态外 还没有精确的方法可用来计算蜗壳外围混凝土结构 68 形框架的取法有两种 一种等截面 一种变截面 从蜗壳进口断面开始选择若干个断面 在每个计算断面上径 蜗 向切取单位宽度 按平面变形问题 形框架计算内力 即平面框架法 69 1 等截面框架 图b c 框架由截面不变的横梁和立柱组成 一般取横梁和立柱的中心线组成框架计算简图 A端为铰支 C或G端为固结 B点要考虑刚性节点的影响 等截面方法还可分为不考虑实际截面高度和考虑实际截面高度两种情况 70 根据计算简图 这个钢架是个二次超静定结构 采用弯矩分配法进行计算较为简便 分别计算前述三个荷载作用下的跨中弯矩和固端弯矩 根据叠加原理 得出总弯矩图 由于蜗壳外围混凝土结构尺寸较大 计算需考虑剪切变形和刚性节点的影响 71 2 变截面框架 图d 变截面框架比等截面框架接近结构体形一些 但计算比较复杂 72 3 配筋计算 设弹性垫层的金属蜗壳外围结构几乎不承受内水压力 但作为机墩的基础结构 受振动荷载的作用 配筋计算时 允许混凝土开裂 但限制裂缝的开展宽度不超过0 3mm 混凝土标号不小于150号 73 弯肘形尾水管包括直锥段 弯管段和扩散段 尾水管结构是指尾水管流道的外围混凝土结构 锥管段 肘管段 扩散段 结构形式 第七节尾水管 74 1 荷载 自重