某水電站廠房大體積混凝土結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

祝新星

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

尼泊爾某水電工程為引水式電站工程，位于尼泊爾那蘇瓦地區(qū)。設(shè)計(jì)發(fā)電流量為80 m3/s，裝機(jī)容量為110 MW。地下發(fā)電廠房洞室埋深約為320 m，廠內(nèi)布置3臺(tái)混流式水輪機(jī)機(jī)型機(jī)組，機(jī)組間距13 m。

在廠房結(jié)構(gòu)分析中，過去分別將下部大體積混凝土結(jié)構(gòu)包括底板、尾水管、尾水管擴(kuò)散段、蝸殼、發(fā)電機(jī)機(jī)墩、風(fēng)罩等結(jié)構(gòu)作為單獨(dú)構(gòu)件，并簡(jiǎn)化成平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，忽略了不同的材料屬性，結(jié)構(gòu)間的相互作用和復(fù)雜邊界條件等因素的影響。隨著有限元計(jì)算的發(fā)展，有限元計(jì)算越來(lái)越多地用于廠房結(jié)構(gòu)分析中。文中以尼泊爾某水電站工程的地下廠房下部結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)分析理論，應(yīng)用有限元計(jì)算軟件ANSYS，建立機(jī)組段三維有限模型，對(duì)其下部大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 計(jì)算模型

廠房機(jī)組間距13 m，跨度15 m，主機(jī)間縱向總長(zhǎng)度45 m。

選取廠房主機(jī)間段進(jìn)行建模計(jì)算。主機(jī)間底板四周基本均與巖石接觸，除靠近安裝間部位側(cè)墻表面不施加約束外，底板其它側(cè)面均施加法向約束。底板上部蝸殼機(jī)墩風(fēng)罩通過板梁與上下游柱連接，柱與巖石接觸施加法向約束。

2 計(jì)算參數(shù)及工況

2.1 基本計(jì)算參數(shù)

混凝土和巖體力學(xué)參數(shù)見下表1，混凝土的線性膨脹系數(shù)取為5.5×10-6℃-1，運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）水平加速度系數(shù)Kho=0.11g。金屬蝸殼采用保壓埋入法，金屬蝸殼與外圍混凝土之間不設(shè)墊層，蝸殼直接承受部分內(nèi)水壓力。根據(jù)水壓實(shí)驗(yàn)，蝸殼外部混凝土承受20%的最小凈水壓力，超出最小靜水壓力部位的水壓完全由蝸殼外圍混凝土承擔(dān)?？紤]發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間風(fēng)罩內(nèi)外溫度差，最大為40℃。外水壓力取地下水位考慮。

表1 材料力學(xué)參數(shù)表

2.2 工況組合

廠房下部大體積結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)入的主要荷載有結(jié)構(gòu)及設(shè)備自重、設(shè)備傳來(lái)荷載、活荷載、內(nèi)外水壓力、溫度荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等[1,2]。該工程根據(jù)美國(guó)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，其荷載系數(shù)、水力系數(shù)等參照相關(guān)規(guī)定[3,4]取值。

其中：Uh為水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載；D為恒載；L為活載；E為地震荷載；Hf為水力系數(shù)，水工結(jié)構(gòu)物中取值1.30。

3 計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用SOLID185單元，通過切取截面的方式表示各部位各剖面應(yīng)力分布情況。文中選取風(fēng)罩、機(jī)墩、蝸殼及底板處最大應(yīng)力工況進(jìn)行分析，各部位應(yīng)力分布如圖1～圖3所示。

圖1 底板截面應(yīng)力圖σx（地震工況）

圖2 蝸殼機(jī)墩風(fēng)罩應(yīng)力圖σx（甩負(fù)荷工況）

圖3 蝸殼機(jī)墩風(fēng)罩應(yīng)力圖σx（正常運(yùn)行工況）

1）由圖1可知，底板以受壓為主，僅在尾水管局部產(chǎn)生拉應(yīng)力。地震工況下底板最大拉應(yīng)力為0.6 MPa，主要位于錐管段。

2）由圖2可知，由于金屬蝸殼采用保壓埋入法，外圍混凝土承受部分內(nèi)水壓力。水輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，外圍混凝土承受的內(nèi)水壓力最大為3.7 MPa,此工況作為蝸殼外圍混凝土控制工況。

混凝土外圍混凝土拉應(yīng)力在0.2D范圍內(nèi)較大，超過0.2D范圍迅速減小。在結(jié)構(gòu)突變處,如管邊緣處以及蝸殼進(jìn)口與末端交匯的鼻端發(fā)生明顯的應(yīng)力集中。管邊緣處混凝土厚度較小，承受的拉應(yīng)力較大，可在外圍混凝土表面布置鋼襯對(duì)其進(jìn)行保護(hù)[5-7]。

3）在各種工況作用下，機(jī)墩部位各方向的拉應(yīng)力均較小，各方向應(yīng)力沿環(huán)向分布比較均勻,檢修坑角點(diǎn)位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。

4）由圖3可知，發(fā)電機(jī)風(fēng)罩部位受溫度荷載影響比較明顯，正常運(yùn)行工況和機(jī)組飛逸等考慮風(fēng)罩內(nèi)外溫差的情況下風(fēng)罩各方向應(yīng)力相對(duì)較大。在風(fēng)罩進(jìn)人孔及風(fēng)罩頂部均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

文中以某水電站廠房工程為計(jì)算實(shí)例，采用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS，對(duì)廠房主機(jī)間部位大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元靜力分析計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果的定性和定量分析來(lái)看，計(jì)算結(jié)果較為符合，通過上述分析可以得出以下幾點(diǎn)：

1）機(jī)墩、底板部位混凝土結(jié)構(gòu)受力相對(duì)較小，混凝土本身的抗拉強(qiáng)度基本就可滿足抗拉要求，僅需根據(jù)溫度和收縮構(gòu)造要求配筋。

2）保壓埋入法降低了蝸殼本身承擔(dān)的內(nèi)水壓力，從而可以減小蝸殼鋼板的厚度。但由于蝸殼外圍混凝土與蝸殼聯(lián)合受力，甩負(fù)荷工況下蝸殼外圍混凝土承受較大內(nèi)水壓力。結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力主要集中在靠近蝸殼0.2D范圍，需在此區(qū)域配筋予以加強(qiáng)。

3）發(fā)電機(jī)風(fēng)罩在內(nèi)外溫差的作用下，局部區(qū)域存在較大的拉應(yīng)力，為了控制裂縫的出現(xiàn)或裂縫寬度，應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)罩的配筋。同時(shí)在機(jī)組運(yùn)行時(shí)需做好發(fā)電機(jī)的通風(fēng)工作。

4）結(jié)構(gòu)開孔破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，開孔處產(chǎn)生應(yīng)力集中，需對(duì)開孔位置加強(qiáng)配筋。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］NB/T 35011-2013水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL 266-2014水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］EM1110-2-2104StrengthDesignforReinforced-Concrete Hydraulic Structures［S］.

［4］ACI 318M-11 Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary［S］.

［5］秦繼章，馬善定.高水頭抽水蓄能電站蝸殼結(jié)構(gòu)配筋遠(yuǎn)離研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào) 2006，25（1）：30-33.

［6］李勝軍，李振富.高水頭抽水蓄能電站蝸殼混凝土與鋼襯聯(lián)合作用應(yīng)力分析方法研究［J］.水利水電技術(shù)1998，29：30-33.

［7］陳穎豪，黃順強(qiáng).廣蓄電站機(jī)組蝸殼與混凝土聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.水力發(fā)電 1993（7）：30-33.