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水轮机钢蜗壳外围混凝土的应力分布

作者:原创论文网 时间:2018-09-28 11:39 加入收藏

摘要

  Abstract:By three-dimensional finite element method, the distribution of stress in the spiral case with keeping constant internal water pressure during construction has been discussed. By comparison of two constant internal water pressure, the suggestion on reinforcement of surrounding concrete and the selection range of water pressure during construction of the spiral case is put forward.

  Keyword:hydropower station; spiral case; stay ring; stress; three-dimensional finite element method;

  某水电站机组台数多、单机容量大, 钢蜗壳的厚度已按单独承担全部水压力设计, 充水加压浇外围混凝土的蜗壳结构形式是该电站现实可行的较好方案。该电站运行期分为初期和后期两个阶段, 合理选择充水加压的内水压力值, 不仅是个重大的技术经济问题, 而且关系到电站的长期安全运行。

  本文通过对不同充水压力的方案进行三维线弹性有限元分析, 给出钢蜗壳外围混凝土的应力分布, 并作出比较和综合评价。

  1、计算模型及其简化

  水电站水轮机蜗壳是一个相当复杂的空间结构, 根据工程实际情况, 计算分析时取一个机组段为研究对象, 计算范围的选取是:上游侧取在厂坝分缝处, 下游侧取到下游副厂房上游边墙处, 两侧在机组段横缝处。计算模型混凝土外围尺寸高为37.0 m, 水流向长为38.5 m, 宽为38.3 m, 底部用连杆约束。计算范围内小孔口未模拟, 对钢蜗壳、外围混凝土和座环均按实际情况模拟, 其中钢蜗壳采用板壳元, 外围混凝土和座环用块体单元 (见图1~2) 。

  混凝土的弹模取值为28.5 GPa, 泊松比为0.3, 容重为24.5 k N/m3;钢材的弹模为240 GPa, 泊松比为0.167, 容重为78.5 k N/m3。钢蜗壳钢板的厚度为30~70 mm, 不同部位厚度不同。

  整个计算模型共8 667个结点, 7 844个单元, 其中座环为342个单元, 钢蜗壳为784个单元, 混凝土为6 718个单元 (见图2) 。

  运行中, 蜗壳内最大内水压力为1.395 MPa, 推力轴承总负荷为58 MN, 发电机层楼面活荷为50 k Pa, 水轮机层楼面活荷为20 k Pa, 发电机定子重为10.0 MN。

图1 计算网格示意
图1 计算网格示意

图2 蜗壳平面断面示意
图2 蜗壳平面断面示意

  计算时考虑两个充水加压的内水压力方案, 方案1中浇筑混凝上时钢蜗壳内施加静水压0.78 MPa (对应于初期运行的防洪限制水位下蜗壳内的静水压力值) , 在机组运行过程中, 当蜗壳内出现最大内水压力时, 其中0.78 MPa内水压力全部由钢蜗壳单独承担, 剩余的0.615 MPa内水压力由钢蜗壳和外围混凝土联合承担;方案2中浇筑混凝土时钢蜗壳内施加静水压0.99 MPa (对应于初期运行的正常蓄水位下蜗壳内的静水压力值) , 在机组运行过程中, 当蜗壳内出现最大内水压力时, 其中0.99 MPa内水压力全部由钢蜗壳单独承担, 剩余的0.405 MPa内水压力由钢蜗壳和外围混凝土联合承担。

  2、成果分析

  1) 混凝土内的应力

  计算结果表明, 该蜗壳的进口直段断面尺寸最大, 该范围内的钢蜗壳大部分为封闭的圆环, 外包混凝土相对较薄, 是结构的薄弱部位。由A-A断面的环向应力分布 (见图2~4所示) 可知, 铅直截面上混凝土内的环向应力在靠近钢蜗壳处拉应力值较大, 远离钢蜗壳混凝土内环向应力逐渐减小;而在水平截面外包混凝土较簿的一侧, 远离钢蜗壳处混凝土内的环向应力值较大, 靠近钢蜗壳处混凝土环向应力较小;在同一断面内, 蜗壳上半部混凝土内的环向拉应力普遍大于下半部。方案1中蜗壳进口直段混凝土内最大环向拉应力值出现在A-A断面的水平截面上 (见图2~3) , 其值为1.47 MPa;方案2中蜗壳进口直段混凝土内最大环向应力值出现在A-A断面的铅直截面上 (见图2、图4) , 其值为1.07 MPa。

  比较方案1和方案2中蜗壳进口直段混凝土内应力分布可以看出, 方案2的环向拉应力比方案1明显减小, 最大拉应力值小37%左右, 这是由于方案2中的充水加压值大于方案1, 钢蜗壳和外围混凝土联合承担的内水压力值小于方案1。另外, 在方案1中, 蜗壳进口直段混凝土内最大环向拉应力出现在水平截面上, 而在方案2中, 由于钢蜗壳和外围混凝土联合承担的内水压力减小, 作用在水轮机楼面上的其它荷载和自重没有变, 因此, 这些荷载及自重的影响更为明显, 使混凝土内最大环向拉应力出现在蜗壳顶部的铅直断面内 (见图3~4) 。

  蜗壳进口断面 (B-B断面) 内混凝土的环向拉应力小于A-A断面 (见图5~6) 。在蜗壳包角范围内, 由于蜗壳的过流断面逐渐变小, 混凝土内的环向拉应力也变小。

  水轮机安装高程平面上混凝土内沿水流方向的最大拉应力值出现在C-C断面处 (见图2) , 方案1中水流向最大拉应力值为1.0 MPa, 方案2中水流向最大拉应力值为0.75 MPa。

图3 A-A断面混凝土内环向应力 (方案1) (单位:MPa)
图3 A-A断面混凝土内环向应力 (方案1) (单位:MPa)

图4 A-A断面混凝土内环向应力 (方案2) (单位:MPa)
图4 A-A断面混凝土内环向应力 (方案2) (单位:MPa)

  2) 钢蜗壳内的应力

  充水加压的蜗壳结构中, 运行时钢蜗壳内的应力由两部分组成, 第一部分是钢蜗壳单独承担充水加压的内水压力时钢蜗壳内的应力, 第二部分是钢蜗壳与外围混凝土联合承担剩余部分的内水压力时钢蜗壳内的应力。根据计算结果, 在蜗壳包角范围内, 方案1中钢蜗壳内最大环向拉应力值为139.36 MPa, 水流向最大拉应力值为75.08 MPa;方案2中钢蜗壳内最大环向拉应力值为162.72 MPa水流向最大拉应力值为91.01 MPa。这些应力值均出现在钢蜗壳与座环连接处附近 (见图2、7、8) 。

图5 B-B断面混凝土内环向应力 (方案1) (单位:MPa)
图5 B-B断面混凝土内环向应力 (方案1) (单位:MPa)

图6 B-B断面混凝土内环向应力 (方案2) (单位:MPa)
图6 B-B断面混凝土内环向应力 (方案2) (单位:MPa)

图7 B-B断面钢蜗壳内表面环向应力 (方案1) (单位:MPa)
图7 B-B断面钢蜗壳内表面环向应力 (方案1) (单位:MPa)

图8 B-B断面钢蜗壳内表面环向应力 (方案2) (单位:MPa)
图8 B-B断面钢蜗壳内表面环向应力 (方案2) (单位:MPa)

  3、配筋建议

  1) 根据上述的应力分析可知, 环向拉应力是混凝土内的主要应力, 其最大值随充水加压压力值的不同而改变, 在已计算的方案1和方案2中, 最大环向拉应力分别达1.47 MPa和1.07 MPa。与此同时, 混凝土内还出现了较大的沿水流向的拉应力, 方案1和方案2分别为1.00 MPa和0.75 MPa。因此, 在钢蜗壳外围混凝土的配筋设计时, 沿蜗壳的环向和水流向都应配置必要的钢筋, 以确保结构安全。

  2) 从钢蜗壳外围混凝土的应力分布可以看出, 蜗壳进口段以及蜗壳包角范围内, 由于外围混凝土较薄, 无论是环向拉应力还是沿水流向拉应力, 都相对较大, 根据已有的工程经验, 这些部位的配筋应加强。

  3) 从蜗壳顶部、侧边、底部等各个断面的环向应力分布可以看出, 环向拉应力分布范围很广, 有些甚至是全断面受拉。一般地, 蜗壳顶、底部断面混凝土最大拉应力出现在靠近钢蜗壳的内周边;而在蜗壳侧边断面, 混凝土最大环向拉应力出现在结构的外周边。针对这样一种应力分布状态, 钢蜗壳外围混凝土的配筋, 以采用分散配筋为宜。这无论是对结构强度还是对混凝土的限裂 (即使混凝土开裂) 都是有利的。

  4、结语

  1) 建议该电站蜗壳采用充水加压浇筑外围混凝土的方案, 运行时混凝土内拉应力值较小, 而且分布比较均匀, 对结构的抗裂安全有利, 也便于配筋;机组运行时可以使钢蜗壳和外围钢筋混凝土联合成整体, 结构位移比较小, 增加了机组基础的刚性, 有利于机组运行时的抗振。

  2) 在选择充水加压的内水压力值时, 应综合考虑该电站初期运行和后期运行的特点以及外包混凝土内的应力状态, 建议充水加压的内水压力值在0.78 MPa至0.99 MPa之间选择, 充水加压的内水压力值越大, 蜗壳外包混凝土内的应力就越小。

  参考文献
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  [5]天津大学水资源与港湾工程系.广州抽水蓄能电站蜗壳混凝土与钢衬联合作用应力计算研究报告[R].天津:天津大学水资源与港湾工程系, 1991.

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