厂坝分缝处的伸缩管应力状态分析

厂坝分缝处的伸缩管应力状态分析

取消水库后大坝的扩建是发展趋势。国内大型水电站中通常采用外包软垫层的伸缩管以适应厂坝间的不均匀变位。为改善厂坝分缝处压力钢管的受力状态,通常在厂坝分缝处的伸缩管段设置一道预留环缝,在大坝和厂房自重产生的变形基本完成后,选择合适时机再对预留环缝进行合拢施焊。为提高厂坝间整体稳定性、改善厂坝分缝处局部及伸缩管始末端外包混凝土的应力集中现象,通常在厂坝间采用整体连接形式,即在厂坝纵缝中设置键槽和灌浆系统,待混凝土温度降为设计灌浆温度后再灌浆,使大坝与厂房形成为一个整体。鉴此,本文以景洪水电站坝后背管工程为例,采用垫层管方案及厂坝间整体连接形式,对不同蓄水过程环缝焊接时间、灌浆时机和效果影响管道应力的情况进行了敏感性分析,以确定最优的预留环缝合拢时机及合适的灌浆时机,为工程施工提供有益参考。1坝体结构及坝体应力分析采用大型通用有限元软件ANSYS建立包括进水口拦污栅墩、压力管道、管道坝段、实体坝段、厂房及地基在内的三维有限元整体结构模型。考虑计算模型规模的限制,建模时对厂房水轮机层以上结构作了简化,其重量作为荷载施加于计算模型上。模型网格见图1,钢管起始端至厂坝接缝面的网格见图2。进水口、压力管道、坝体和厂房混凝土、垫层及地基绝大部分采用八节点等参单元,少量采用三棱柱单元;拦污栅墩连系梁采用两节点空间梁单元模拟;钢管采用板壳单元模拟。边界条件为:①因大坝和厂房间存在永久横缝,故大坝和厂房两侧全部视为自由面;②考虑各坝段之间基础变位的连续性,将计算坝段基岩两侧面沿横向施加法向位移约束;③基岩的上、下游端面和底面为法向位移约束。计算中混凝土和钢管的基本力学参数见表1。伸缩管段钢管壁厚取36mm,垫层厚度30mm,弹性模量2MPa,伸缩管长度9.75m(分缝前为5m,分缝后4.75m)。计算中假定施工过程先I期坝体混凝土施工,再II期背管混凝土施工,最后蓄水。伸缩管预留环缝合拢及接缝灌浆前,假定结构自重产生的相对变位已完成,在伸缩管上无附加应力。采用单元生死形式进行施工过程模拟,用死单元模拟建筑物尚未施工部分,通过分步激活特定位置的单元模拟施工程序。2钢管应力分析在进行伸缩管预留环缝焊接时间对钢管影响的敏感性分析时,研究了常规荷载作用下结构的受力特性。坝后背管承受的常规荷载包括结构自重、静水压力、机组甩全负荷时管内水锤压力、管径变化及转弯处水压力、离心力和坝体变位作用(主要由大坝自重、上下游水压力、扬压力等引起)。对不同蓄水位环缝焊接研究了三个方案:①方案A-1。坝上游水压力为下闸蓄水前无水。②方案A-2。死水位591.00m、1台发电机尾水位535.73m。③方案A-3。正常蓄水位602.00m、4台机发电尾水位539.13m。根据《水电站压力钢管设计规范》,钢管的应力按第四强度理论计算,等效应力为:σ=σ2θ+σ2x−σθσx+3τ2θx−−−−−−−−−−−−−−−−−−√≤σRσ=σθ2+σx2-σθσx+3τθx2≤σR(1)式中,σθ为环向应力,以拉为正,MPa;σx为轴向应力,以拉为正,MPa;τθx为剪应力,MPa;σR为钢管结构构件的抗力限值:σR=(γ0ψγd)-1f(2)式中,γ0为结构重要性系数,Ⅰ级建筑物取1.1;γd为结构系数,对不同管型取相应的值;ψ为设计状况系数,持久状况取1.0,偶然状况取0.8。各管型不同设计状况的钢材抗力限值见表2。以管腰0°位置为例,伸缩管段各断面钢衬的应力见表3。根据应力分布取二个控制断面分析,主要控制断面及关键点位置见图3。在单独坝体变位作用(坝上游面水压力、坝底扬压力及相应的下游面水压力)下,伸缩管段钢管管的轴向为压应力,数值较小。在单独内水压力作用下,伸缩管的轴向为拉应力,数值较大。在蓄水前进行接缝灌浆和推迟钢管环缝焊接时间,可减小坝体变位作用引起的钢管轴向压应力。由表3可知,A-1的伸缩管段轴向拉应力较A-2、A-3的拉应力减小,因此方案A-2与A-3钢管的等效应力较A-1降低但降幅较小。这表明在蓄水前就对厂坝分缝进行灌浆处理,伸缩管预留环缝焊接时间对钢管应力影响很小。3厂坝分缝对钢衬应力的影响假定在蓄水前进行钢管预留环缝焊接。针对不同蓄水高度分缝处键槽灌浆处理进行敏感性分析,以确定最佳的键槽灌浆时间。主要考虑结构在常规荷载作用下结构的受力特性,进行了三个方案的计算:①方案B-1。下闸蓄水前无水。②方案B-2。死水位591.00m、1台机发电尾水位535.73m。③方案B-3。正常蓄水位602.00m、4台机发电尾水位539.13m。管腰0°位置各断面伸缩管段钢衬的应力见表4,控制断面见图3。在上游库水压力作用下,厂坝分缝两侧出现较大的相向相对位移,而厂坝间仅通过伸缩管相互传力,从而在伸缩管内产生很大轴向压应力,随接缝灌浆前蓄水位的升高钢管等效应力也随之增大。B-3方案管道过缝处的最大的MISES应力达179.0MPa,1-1断面附近的钢管MISES应力高达215.6MPa,在尚未考虑温度荷载的作用下已不能满足钢管的强度设计要求。可见,采用外包软垫层的伸缩管过缝,在上游正常蓄水位情况下灌浆,对伸缩管处管道的应力不利。这表明压力钢管的过缝结构形式与厂坝连接形式相互影响,在蓄水前最好进行厂坝接缝处的键槽灌浆,否则将会恶化伸缩管的应力状态。4厂坝分缝处锚点压采用整体连接的厂坝连接形式,在厂坝分缝处542.0m高程以下设键槽并做接缝灌浆。该高程达水轮机层以上,可明显改善厂坝分缝处局部应力集中现象,对结构受力更为有利。为保持坝体和厂房在运行时的整体性和有效传递压力,一般在接缝面上布置键槽,并在键槽部位埋设灌浆管,待厂坝位移和混凝土温度相对稳定后再进行并缝灌浆,使大坝与厂房形成一个整体结构。对方案A-1,在蓄水前接缝灌浆并进行环缝焊接时,分缝处键槽的合拢效果及计算方案、荷载组合见表5。管腰0°断面伸缩管段钢衬应力见表6。为比较分析,表中列出了方案A-1(即分缝处键槽合拢效果良好)分缝处钢管的应力。由表6可知,厂坝之间有缝隙时(方案C-1),在分缝处附近钢管的应力较完全粘结时提高约20MPa。灌浆材料的弹模降低一半对结构无明显影响。由此可见,厂坝分缝处的键槽合拢时若存在缝隙会对钢管产生不利的影响,使分缝处钢管局部应力增大,因此在施工中应引起重视。灌浆材料的选取具更多自由度。在接缝灌浆时可考虑采用具有适当膨胀性能的灌浆材料,可补偿收缩并形成一定的膨胀量以提高灌浆效果。5施工前钢管环缝焊接a.取消厂坝间常规伸缩节后,采用外包软垫层的伸缩管适应厂坝间的不均匀变形,厂坝间采用整体连接形式技术可行。b.蓄水前对厂坝分缝进行接缝灌浆,且键槽灌浆状态良好,则在较高的蓄水位下进行钢管环缝焊接可减小钢管的轴向压应力,等效应力相应减小,但效果不明显。为便于安排施工工序可选择在蓄水前进行环缝焊接。c.蓄水前未进行厂坝分缝灌浆而焊接钢管环缝,将大为降低厂坝间的联合作用,钢管将出现较大的轴向压应力。随蓄