充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)保壓值優(yōu)化研究

吳云鵬 蘇 超 徐 匯

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098；2.中水北方勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，天津 300222)

目前，高HD 值的蝸殼結(jié)構(gòu)型式主要有以下幾種[1-2]：在鋼蝸殼外鋪設(shè)軟墊層后澆筑外圍混凝土，即墊層蝸殼；鋼蝸殼在充水保壓狀態(tài)下澆筑外圍混凝土，即保壓蝸殼；鋼蝸殼外直接澆筑混凝土，既不鋪設(shè)墊層也不充水保壓，即直埋蝸殼.充水保壓蝸殼相較于墊層蝸殼，鋼襯及外圍混凝土受力更加均勻，運行時，鋼蝸殼能緊貼外圍混凝土，增加蝸殼機組的剛性，利于機組的穩(wěn)定運行；相較于直埋蝸殼，通過保壓水頭能夠調(diào)節(jié)鋼蝸殼的承載比，利于鋼襯充分發(fā)揮材料特性，改善混凝土受力特征，使結(jié)構(gòu)的受力分配更加合理，因此在實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用.

充水保壓蝸殼可以通過保壓值來分配外圍混凝土對于內(nèi)水壓力的分擔(dān)比例，因此，保壓值的合理設(shè)置很關(guān)鍵.一方面，如果保壓值較高，則鋼襯充水加壓后的徑向變形就會增大，保壓縫隙隨之也就變大.在機組運行時，若運行水頭低于保壓水頭，則鋼襯的徑向變形難于使保壓縫隙完全閉合，鋼襯與外圍混凝土的脫開，將會帶來鋼蝸殼的自振頻率與機組自振頻率接近，從而引起機組共振的風(fēng)險，導(dǎo)致機組振動過大，影響機組的安全穩(wěn)定運行；另一方面，如果保壓值過低，則蝸殼鋼襯材料強度沒有得到充分發(fā)揮，此時外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變成了承擔(dān)內(nèi)水壓力的主體，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷裂縫，同時鋼筋用量將增加，造成經(jīng)濟上的浪費[3-5].因此，合理選取充水保壓水頭十分重要.

根據(jù)國內(nèi)外己建工程實踐，蝸殼充水保壓壓力，一般控制在0.5～1.0倍最大靜水頭.規(guī)范[6]建議控制在機組最大靜水頭的0.6～0.8倍.綜上所述，充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)保壓水頭值的選取原則為：在保證蝸殼與外圍混凝土聯(lián)合承載、機組剛度滿足要求的前提下，盡量提高保壓水頭，從而減小外圍混凝土對于內(nèi)水壓力的分擔(dān)比例，改善混凝土的應(yīng)力水平，降低混凝土的配筋量，達到既要保證結(jié)構(gòu)安全運行，又要充分發(fā)揮材料強度，滿足經(jīng)濟性要求的目的.

1 計算方案

1.1 計算模型及材料參數(shù)

蝸殼有限元模型如圖1所示，計算模型采用笛卡爾直角標(biāo)系，X軸為水平方向，沿廠房縱軸指向右側(cè)為正(面向下游)；Y軸為水平方向，指向下游為正；Z軸為鉛直方向，向上為正.坐標(biāo)零點位于發(fā)電機層268m 高程與機組軸線相交處.計算范圍：模型上部取到水輪機層底部，高程為256.3m，下部取至進人孔頂部，高程為250.5m；兩側(cè)取至機組段永久分縫處；水流方向自機組中軸線向上游取7.9m，向下游取9.3m，整個鋼蝸殼由內(nèi)徑逐漸變化的多段鋼管組成，直線段斷面內(nèi)徑為2000mm，直至蝸殼段最末端管節(jié)內(nèi)徑減小為751.4mm.各管節(jié)鋼管厚度也逐漸變化，直線段厚度最大為50mm.蝸殼采用殼單元，有限元模型共15993個單元，22938個節(jié)點.邊界條件：平面模型底邊固定約束，其余按照自由邊界處理.各材料物理參數(shù)見表1.

圖1 蝸殼有限元模型

表1 材料物理參數(shù)

1.2 荷載組合

為了分析蝸殼采用不同保壓水頭時的受力特點，結(jié)合《水電站廠房設(shè)計規(guī)范》中的要求，分別選取保壓水頭為機組最大靜水頭的0.5、0.6、0.7、0.8及0.9倍，即保壓值3.58MPa、4.30MPa、5.01MPa、5.73 MPa及6.45MPa進行計算.計算荷載包括：1)內(nèi)水壓力：最大靜水壓力為7.14MPa，最大內(nèi)水壓力9.81 MPa；2)結(jié)構(gòu)自重：混凝土容重25kN/m3，鋼襯、座環(huán)容重78kN/m3；3)集中荷載：機組主要設(shè)備荷載；4)均布荷載：各層樓板活載，20kN/m2.

計算采用仿真算法，具體過程為：首先殺死外圍二期混凝土，采用混凝土支墩、鋼襯及座環(huán)部分有限元模型，計算鋼襯單獨承受保壓水頭時的變形，輸出鋼襯變形后的節(jié)點坐標(biāo)，激活外圍混凝土，并用上述坐標(biāo)修正相應(yīng)的外圍混凝土節(jié)點坐標(biāo)，卸載保壓水頭形成保壓縫隙，然后對整個模型分4步進行計算：1)設(shè)置混凝土與鋼襯之間的接觸關(guān)系；2)施加重力；3)分步加載水頭至正常運行水頭；4)施加集中荷載與均布荷載.

2 計算結(jié)果分析

2.1 鋼襯的應(yīng)力

選取B-B典型截面，如圖2所示.計算得出5種保壓水頭方案下的鋼襯特征點第一主應(yīng)力值見表2.由表2可知，各預(yù)壓水頭方案的鋼襯應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，頂部應(yīng)力值最大，底部次之，腰部應(yīng)力值最小.隨著預(yù)壓水頭的增加，鋼襯的應(yīng)力基本呈現(xiàn)增大的趨勢，但增長幅度逐漸減緩.這是因為，隨著保壓水頭的提高，鋼襯與外圍混凝土聯(lián)合受力的臨界水頭越來越大，鋼襯分擔(dān)內(nèi)水壓力的比例越來越高，最終施加在各模型上的總內(nèi)水壓力值一致.但此時，外圍混凝土分配到的內(nèi)水壓力越來越少，鋼襯應(yīng)力隨即增加.由于混凝土材料的非線性，鋼襯應(yīng)力的增長幅度也在隨保壓水頭的增大而改變.當(dāng)預(yù)壓水頭為3.58 MPa、4.30MPa、5.01MPa、5.73MPa及6.45MPa時，鋼襯的最大應(yīng)力分別為鋼襯允許應(yīng)力360MPa的53.3%、54.4%、55.0%、55.0%及55.3%，遠低于鋼襯的允許應(yīng)力.這說明，鋼襯的強度仍有很大的發(fā)揮余量，在滿足其他要求的條件下，宜選取較大的保壓水頭，可利于鋼襯材料性能的發(fā)揮.

圖2 斷面及特征點位置示意圖

表2 不同保壓水頭下蝸殼鋼襯特征點第一主應(yīng)力(單位：MPa)

2.2 外圍混凝土應(yīng)力

蝸殼外圍混凝土特征點第一主應(yīng)力值見表3.

表3 蝸殼外圍混凝土特征點第一主應(yīng)力值(單位：MPa)

混凝土的應(yīng)力分布規(guī)律大致相同，蝸殼內(nèi)側(cè)應(yīng)力值較大，外側(cè)應(yīng)力值較??；其中頂部、底部內(nèi)側(cè)應(yīng)力值較大，腰部內(nèi)側(cè)應(yīng)力值較??；保壓水頭為3.58MPa、4.30MPa及5.01MPa的方案，頂部、底部內(nèi)側(cè)應(yīng)力值均超過混凝土抗拉強度設(shè)計值1.43MPa.隨著保壓水頭的增大，蝸殼外圍混凝土的應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域分布顯著減小，最大應(yīng)力值呈現(xiàn)減小趨勢，這與鋼襯應(yīng)力值的增大相對應(yīng)，鋼襯與混凝土承擔(dān)內(nèi)水壓力的比例也隨之增大.

2.3 保壓縫隙值分析

蝸殼與外圍混凝土的貼合狀態(tài)能夠直接判斷出保壓值的合理性.施工結(jié)束后，由于混凝土徐變、施工縫、蝸殼溫降等影響，在混凝土與蝸殼之間會形成初始縫隙δ1，因保壓水頭產(chǎn)生的初始縫隙為δ2，在機組運行時由水壓力作用而產(chǎn)生的徑向變形為δ3.因而能確定蝸殼與混凝土之間的縫隙Δδ=δ1+δ2-δ3.當(dāng)Δδ＜0時，表明鋼蝸殼與混凝土處于完全貼合狀態(tài)，Δδ＞0時，表明保壓值過高，鋼蝸殼與混凝土處于脫開狀態(tài).

蝸殼外圍混凝土縫隙開度值見表4.當(dāng)保壓值取6.45MPa時，縫隙值Δδ為0.15mm，表明此時蝸殼與混凝土處于脫開狀態(tài)，考慮到蝸殼自振的特性，過高保壓值對機組穩(wěn)定性不利；當(dāng)保壓值為3.58、4.30、5.01時，Δδ均小于零，表明蝸殼與混凝土處于貼合狀態(tài)，但是這3種保壓值方案下的混凝土應(yīng)力值均超標(biāo).當(dāng)保壓值為5.73MPa時，縫隙值為-0.12 mm，蝸殼與混凝土貼合，且混凝土各處的應(yīng)力均在設(shè)計抗拉強度范圍內(nèi)，鋼襯的材料也得到了充分的發(fā)揮，因此，綜合各方面因素，選取保壓值為5.73MPa，即最大靜水頭的0.8倍較為合理.

表4 蝸殼外圍混凝土縫隙開度值(單位：mm)

2.4 混凝土損傷分析

不同保壓水頭下，蝸殼外圍混凝土損傷情況如圖3所示.

圖3 不同保壓水頭蝸殼外圍混凝土損傷情況

可以看出：隨著保壓水頭的增大，損傷區(qū)域分布逐漸減小.保壓值為3.58MPa時，有多條損傷帶分布在蝸殼鋼襯附近，其中蝸殼頂部與腰部附近有較大損傷帶，損傷帶最深達1.8m.而當(dāng)保壓值為6.57MPa時，只有上下蝶邊處有微小部分的損傷區(qū)；由此可知，保壓水頭的合理選取可以顯著緩解外圍混凝土的應(yīng)力分布狀態(tài)，減少配筋量.在選取合適的保壓值后，仍出現(xiàn)混凝土損傷的部分，需要采用其它措施予以加固.

2.5 混凝土的承載比

由鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力的平均值σ0，可以初步算出外圍混凝土的承載比η：

式中，δ為典型斷面處鋼蝸殼厚度，本例為50mm；r為典型斷面處鋼蝸殼半徑，本例為1000mm；σ0為鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力平均值，此處為剩余水頭作用下的鋼襯應(yīng)力；pb為蝸殼充水保壓值；p為蝸殼設(shè)計內(nèi)水壓力值，本例為7.14MPa.

不同保壓水頭時外圍混凝土的承載比見表5.

表5 不同保壓水頭時外圍混凝土的承載比

從表5可以看出，隨著保壓水頭的提高，混凝土的承載比逐漸下降，當(dāng)保壓水頭為設(shè)計內(nèi)水壓力的90%時，混凝土的承載比只有6.79%.因此，提高保壓水頭，可有效降低混凝土的承載比，改善外圍混凝土的應(yīng)力分布.

3 結(jié) 語

采用仿真計算方法，對不同的保壓水頭方案進行計算分析，可以得出以下結(jié)論：

1)提高保壓水頭，可以有效降低外圍混凝土的承載比，當(dāng)保壓水頭為最大靜水頭的0.9倍時，混凝土的承載比只有6.79%，鋼襯最大應(yīng)力只有許用應(yīng)力的55.3%，可見鋼襯的強度仍有較大的發(fā)揮余量.為充分發(fā)揮鋼襯的材料性能，宜選用較高的保壓水頭.

2)提高保壓水頭，可以增大鋼襯與外圍混凝土之間的初始縫隙大小，從而推遲外圍混凝土與鋼襯的聯(lián)合承載，改善蝸殼外圍混凝土受力狀態(tài).當(dāng)保壓值小于5.73MPa時，縫隙值均為負值，但保壓值過小導(dǎo)致外圍混凝土所受的應(yīng)力增大，塑性損傷隨之加大；當(dāng)保壓值等于5.73MPa時，蝸殼與混凝土貼合緊密，不易產(chǎn)生共振，利于機組穩(wěn)定，且混凝土各處的應(yīng)力均在設(shè)計抗拉強度范圍內(nèi)，鋼襯的材料也得到了充分的發(fā)揮；當(dāng)保壓值為6.45MPa時，縫隙值為0.15mm，蝸殼與混凝土處于脫開狀態(tài)，由于蝸殼自振特性的影響，過高保壓值對機組穩(wěn)定性不利；綜合上述結(jié)論，建議選取保壓值為5.73MPa，即最大靜水頭的0.8倍.