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1、2006年10月水 利 学 报SHUILIXUEBAO第37卷 第10期收稿日期:2005210209作者简介:张运良(1973-),男,安徽亳州人,讲师,博士,主要从事水工结构动力学和建筑物结构分析研究。E2mail:zhangyl 文章编号:055929350(2006)1021206206水轮机蜗壳不同埋设方式的流道结构刚强度分析张运良,马震岳,程国瑞,陈婧(大连理工大学 土木水利学院,辽宁 大连 116024)摘要:对蜗壳三种典型埋设方式,采用有限元方法分析和讨论了设置伸缩节与止推环对某巨型蜗壳结构整体受力特征和变形特性的影响,并对各方案进行了评价。研究表明,(1)从降低混凝土拉应力和
2、提高钢衬承载比来看,垫层方案优于保压方案,保压方案优于直埋方案。从流道系统的变形来评价,直埋方案优于垫层方案和保压方案。但从蜗壳外包混凝土的整体变形来看,直埋方案则劣于垫层方案。(2)无论是对于垫层方案或是保压方案,是否设置伸缩节和止推环对蜗壳应力状态影响均较小。同时设置或取消伸缩节和止推环,从流道系统钢结构的整体轴向刚度和抗扭转刚度来评价,垫层方案比保压方案有所降低或基本相当。(3)对于垫层方案,若取消伸缩节,可考虑取消止推环。对于保压方案,若设置伸缩节,则建议设置止推环。本文可为蜗壳埋设方式的优化选择提供参考。关键词:水利水电工程;蜗壳;埋设方式;伸缩节;止推环;数值模拟中图分类号:TV7
3、31;TU31113文献标识码:A1 问题的提出中国正在建设和将要建设一批巨型水电站工程,如三峡、龙滩、小湾、拉西瓦、溪洛渡等,单机容量均为700MW级,压力管道和蜗壳等引水系统的尺寸巨大,HD(设计水头与钢蜗壳进口管径之积)值高。例如,三峡水轮机蜗壳平面最大宽度为341325m,水轮机钢蜗壳进口直径达1214m、进口断面设计内水压力为11395MPa(含水锤压力),HD值将达到1 730m2,是世界上混流式水轮机尺寸最大的蜗壳。目前,国内外大中型中高水头机组厂房蜗壳埋设方式主要采取三种方案:(1)在钢蜗壳外上部一定范围内铺设软垫层后浇筑外围混凝土,简称垫层方案;(2)钢蜗壳在充水并保持一定的
4、压力水头下浇筑外围混凝土,简称保压方案;(3)钢蜗壳外直接浇筑混凝土,蜗壳与外围混凝土完全联合承载,简称直埋方案。这三种蜗壳埋设方式各有特点,在国内外均有不少成功应用的实例。对于HD值特别高的蜗壳结构,国外采用保压方案(如伊泰普水电站和大古力水电站等)和直埋方案(如前苏联的萨扬舒申斯克水电站等)的相对较多,国内多采用垫层方案,单机容量最大的为李家峡水电站。以后更大的工程,如二滩、三峡左岸电站、小湾以及所有大型抽水蓄能电站,均采用了保压方案,对此已有较多的研究1,2。广义的水轮机流道结构包括从厂坝间伸缩节或止推环以后的蜗壳进口段、蜗壳、座环和座环立柱等组成的引水与导水系统。流道结构除承受巨大的内
5、压水头外,还与外围钢筋混凝土结构共同组成机组的下部支撑体系,承受径向不平衡力和竖向荷载,同时还承受较大的切向水力不平衡推力。因此,如何保证流道结构的刚度和强度安全,实现结构优化设计,对于保证机组的安全稳定运行具有重要意义,成为巨型工程迫切需要研究解决的课题之一。蜗壳是不完全轴对称的、内侧开口的半封闭蜗形结构,内水压力的合力不为零,在进口段会产生一个较大的轴向水推力,相对于机组中心竖轴则是一个较大的扭矩。在其作用下,蜗壳可能产生扭转变形,从而影响到机组的运行稳定和结构安全。不同的蜗壳埋设方式以及是否设置伸缩节与止推环,由于6021蜗壳与外围混凝土的接触约束条件不同,变形特性也会产生差异。国内过去
6、对垫层蜗壳做过大量的研究36,但对于巨型工程近年来的研究相对较少,直埋方案的研究相对更少。本文试图利用全三维数值模拟方法,以某巨型工程为计算实例,重点探讨采用不同埋设方式,是否设置伸缩节与止推环,对巨型蜗壳的受力特征和变形特性的影响规律,为巨型蜗壳埋设方式的优化选择提供参考。2 流道结构数值模拟方法对于结构体型和组成异常复杂的蜗壳结构,有限元法数值模拟成为首选的分析工具。当采用垫层蜗壳方案时,钢板外围一部分与垫层接触,一部分与混凝土接触,并由于材料间存在着摩擦特性,会造成一定的滑移和切向、径向传力的不均匀。因此,采用摩擦接触问题进行模拟是必要的。211 接触问题的数值模拟 由于浇注时的冷缝和钢
7、板没有加劲环等锚固件的存在,蜗壳钢板与外围混凝土之间的结合形式,不属于固定连接或铰接,而应属于面-面接触问题。这类问题的特点是具有单边约束和未知接触区域,接触区域的确定依赖于加载方式、荷载水平、接触面性质等因素,属于边界待定非线性问题。鉴于蜗壳的受力特点,其面接触主要是法向压力接触和切向摩擦接触,可以构建三维接触单元进行模拟。其求解方法主要包括直接迭代法和接触约束算法(拉格朗日乘子法、罚函数法以及扩展的拉格朗日法)。本文以ANSYS大型结构分析软件作为平台。ANSYS支持三种接触方式:点-点、点-面、面-面的接触,每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。本文采用面-面接触单元,其具有如下优点
8、:与低阶和高阶单元都兼容;支持有大滑动和有摩擦的大变形,协调刚度阵计算,单元提供不对称刚度阵的选择;提供工程适用的更好的接触结果,易于进行接触压力和摩擦应力的后处理;能考虑壳和梁的厚度及壳厚度的改变;半自动接触刚度计算。计算中采用ANSYS的四结点四边形单元target170模拟“目标面”,四结点四边形单元contact173模拟“接触面”,采用扩展的拉格朗日乘子法进行接触问题的求解。212 有限元计算模型 取某一巨型工程为计算实例。计算模型尽可能按实际尺寸和形状模拟了流道系统的主要结构,包括蜗壳钢衬(管节厚度沿水流向变化)、座环环板、固定导叶(位置和走向)、垫层、蜗壳外包混凝土和3道止推环。
9、忽略压力钢管段加劲环的作用。波纹管伸缩节的轴向约束作用以轴向弹簧单元(弹簧刚度系数可由文献7,8推求)来模拟,忽略其它方向的约束。蜗壳钢衬、固定导叶和止推环用板单元模拟,座环环板、垫层和大体积混凝土部分用块体元模拟。通过计算发现,摩擦系数在0015变化范围内对混凝土环向应力的影响很小,故本文摩擦系数取更为实际的0125。整个计算模型共划分单元约18万个,结点约16万个,网格划分足够精细,保证了计算结果的可靠性。设置伸缩节和止推环方案的流道系统钢结构有限元网格如图1所示。部分蜗壳外包混凝土及固定导叶有限元网格如图2所示。图1 设置伸缩节和止推环方案的流道系统有限元网格图2 部分蜗壳外包混凝土及固
10、定导叶有限元网格 计算边界的处理是上游厂坝分缝处以及机组段分缝处混凝土结点自由,模型底部边界固定,不计下部尾水管对结构的影响。设置伸缩节时,则压力钢管与伸缩节(弹簧元)连接,弹簧单元上游端固定;若不设伸缩节,压力钢管向上游延长1010m,并在上游端固定。模型其它边界可处理为自由边界,不计上7021下游副厂房楼板、顶部的风罩、立柱和墙体的弹性约束作用。计算荷载为内水压力、结构自重和通过机墩传递的机组荷载。3 计算结果分析311 计算条件 对不同埋设方式的流道主要结构(压力钢管、蜗壳和座环)和外围及上部混凝土结构的强度和变形的研究,采取如下5种对比方案:(1)方案D1,垫层方案,设置伸缩节和止推环
11、;(2)方案D2,垫层方案,不设伸缩节和不设止推环;(3)方案B1,保压方案,设置伸缩节和止推环;(4)方案B2,保压方案,设置伸缩节和不设止推环;(5)方案Z1,直埋方案,设置伸缩节和止推环。在压力钢管下游端厂坝分缝处以下位置设置3道止推环并嵌固于混凝土中,伸缩节位于止推环的上游。按实际尺寸模拟止推环。垫层压缩变形模量取215MPa,厚度取30mm,垫层敷设范围为在蜗壳进口段垫层上末端距机坑里衬310m,在蜗壳尾部垫层上末端距机坑里衬210m,垫层下端铺至腰线以下15。保压方案中的保压水头取70m。312 蜗壳外围混凝土结构的应力 蜗壳进口断面外围混凝土环向应力如图3所示。图3 蜗壳进口断面
12、混凝土内侧各结点的环向应力(单位:MPa)图4 垫层方案D2腰线上45 处混凝土内侧各结点的环向应力沿水流向的分布(单位:MPa)由图3可以看出:(1)对于垫层方案,是否设置伸缩节和止推环对蜗壳外围混凝土环向应力的大小和分布影响均不大;(2)垫层方案蜗壳外围混凝土的环向拉应力水平整体上低于保压方案。可见,合理选择垫层方案能够有效降低蜗壳外围混凝土的拉应力水平,减小配筋率;(3)直埋方案蜗壳外围混凝土的环向拉应力水平要远高于垫层方案和保压方案;(4)与蜗壳钢衬紧贴的混凝土内侧结点的最大环向拉应力发生在进口断面腰线上45 处,对于垫层方案、保压方案和直埋方案,其值分别为1141MPa(方案D2)、
13、1175MPa(方案B1)和3169MPa。方案D2蜗壳内侧腰线之上45 位置处混凝土的环向应力沿水流向的分布如图4所示。由图4可以看出,应力分布以进口处最大,向下游呈递减趋势。313 流道钢结构的应力 表1给出了不同埋设方式和设计方案的流道钢结构的最大等效应力,表2为不同埋设方8021案时钢蜗壳的承载比。从表1、表2可以看出:(1)除了局部位置之外,垫层方案蜗壳钢衬的等效应力整体上高于保压方案和直埋方案。铺设垫层能有效提高钢衬承担内水压力的比例,垫层方案、保压方案和直埋方案的蜗壳钢板平均承载比分别约为8416%、5711%、1115%;(2)对垫层方案和保压方案,是否设置伸缩节和止推环,对蜗
14、壳钢衬的等效应力影响都不大,对蜗壳过渡板、上下环板、固定导叶的等效应力影响也不大;(3)流道结构的应力水平均不高,座环上下环板的应力相对较高,固定导叶的应力相对较低。由于流道结构是按照承受115倍水头的明蜗壳设计的,故强度裕度较大。表1 不同埋设方案下各典型断面流道结构的最大等效应力(单位:MPa)埋设方案D1D2B1B2Z1钢蜗壳2191021710981796192814上过渡板198101991017410167107710下过渡板189101791017210169106716上环板184101951012910120109718下环板124101231012610127109118固
15、定导叶81148312671267137514表2 不同埋设方案下钢蜗壳的承载比(%)埋设方案D1D2B1B2Z1进口断面76187813561256101314横向下游断面86118613571757181014纵向左侧断面89108912571557151017平均承载比84108416571157111115314 流道结构的变形分析 综上所述,从降低蜗壳外围混凝土拉应力水平和提高钢衬承担内水压力的比例来看,垫层方案优于保压方案,保压方案优于直埋方案。但设置伸缩节和止推环各方案的优劣,单从应力强度角度难以判断。根据圣维南原理,设置伸缩节和止推环,仅对其附近区域的应力有较大影响,而对于远离
16、此区域的蜗壳及其外包混凝土的应力影响相对很小,计算结果也证实了这一点。下面将重点从水推力作用下流道结构变形的角度对各方案加以比较分析。表3给出了不同埋设方案下流道主要部件的最大变形。图5给出了D1方案钢蜗壳和混凝土的变形分布云图。对于钢蜗壳,给出了其最大径向变形量和绕机组中心竖轴的最大扭转变形量;对于其它钢结构和外围混凝土结构,给出了最大顺河向变形量和绕机组中心竖轴的最大扭转变形量;对于设置止推环的方案,给出了止推环的最大顺河向位移值。表3 不同埋设方案下流道结构的最大变形(单位:mm)埋设方案D1D2B1B2Z1钢蜗壳上过渡板下过渡板上环板下环板外围混凝土止推环径向719107,762318
17、614108311032绕竖轴扭转3169131103214974138511599顺河向1133711202017960191401570绕竖轴扭转0192601410018231128601399顺河向1133711202017960191401127绕竖轴扭转0192601410014040166601199顺河向0196501827016500174501545绕竖轴扭转0179801588015990165901385顺河向0184201758015060152501140绕竖轴扭转0154801437012950131401127顺河向01918017750182711211110
18、55绕竖轴扭转1139411304212994138511599顺河向017000175801616 比较垫层方案D1和D2可以看出,钢衬的最大径向膨胀变形和最大扭转变形,以及过渡板、上下环板、固定导叶和外围混凝土的最大顺河向变形和最大扭转变形,方案D1 D2。说明设置伸缩节降低了9021图5 方案D1的钢蜗壳及外围混凝土的变形云图(单位:mm)流道系统的轴向刚度。若以最大变形的相对值来说明刚度降低幅度(D1-D2)/D1100%),则对于最大径向变形和扭转变形,方案D2较D1的降低幅度分别约为:钢蜗壳119%、1519%;上、下过渡板1011%、5517%;上环板1713%、2819%;下环
19、板1010%、2013%;外围混凝土1516%、615%。对于保压方案,在设置伸缩节的情况下,设置止推环能增大流道系统的轴向刚度,变形有所降低,其中对扭转变形的影响最大,可达到40%左右。对于直埋方案,流道各钢结构的变形远小于垫层方案和保压方案,但蜗壳外包混凝土的最大顺河向变形(蜗壳进口断面)比保压方案B1大(幅度为2716%),也比垫层方案D1大(幅度为3111%)。另外,在垫层钢管进口端,混凝土的最大扭转变形小于保压方案B1而大于垫层方案D1。综合评价,垫层方案的变形最大,保压方案次之,直埋方案最小。说明垫层的存在一定程度上降低了流道系统的刚度。但当取消伸缩节后,垫层方案的刚度与保压方案基
20、本相当,说明取消伸缩节而采用与上游坝体钢管直接相连反而可提高流道系统的轴向刚度和抗扭转刚度。4 结语通过对蜗壳结构的三维有限元计算模拟,得出如下结论:(1)从降低蜗壳外围混凝土拉应力水平和提高钢衬承担内水压力的比例来看,垫层方案优于保压方案,保压方案优于直埋方案。无论是对于垫层方案或是保压方案,是否设置伸缩节和止推环对蜗壳应力状态影响均较小;(2)同时设置或取消伸缩节和止推环,从流道系统钢结构的整体刚度来评价,直埋方案最大,垫层方案比保压方案有所降低。取消伸缩节而采用与上游坝体钢管直接相连反而可提高流道系统的轴向刚度和抗扭转刚度;(3)从流道系统的变形来评价,直埋方案优于垫层方案和保压方案。但
21、从蜗壳外包混凝土的整体变形来看,直埋方案则0121劣于垫层方案,主要是由于直埋方案混凝土的受力大幅度提高;(4)对于垫层方案,设置伸缩节降低了流道系统的轴向刚度;当取消伸缩节时,流道系统的整体轴向刚度有所增大,可考虑取消止推环;(5)对于保压方案,在设置伸缩节的情况下,设置止推环可提高流道系统的整体刚度,说明设置止推环是有利的。实际中,钢蜗壳外围混凝土必须按钢筋混凝土结构设计,因此采用钢筋混凝土非线性有限元方法进行应力分析更为合理,必要时还需进行大比尺的模型试验。但本文着重考察的是设置伸缩节与止推环对巨型蜗壳整体受力特征和变形特性的影响,进而对各方案进行评价和选择。因此,本文的线弹性计算结果仍
22、具有一定的参考价值。蜗壳埋设方式的选择还应考虑到厂房控制尺寸、布置、施工、投资效益和运行维护等其它影响因素,并应参考已有工程和实践经验,进行综合考虑和评判。参 考 文 献:1 秦继章,马善定,伍鹤皋,匡会健.二滩水电站钢蜗壳与外围钢筋混凝土联合受力三维仿真材料模型试验研究J.水利学报,1999,(6):11-15.2 伍鹤皋,马善定,白建明.三峡水电站充水保压蜗壳平面非线性分析J.水利学报,2003,(5):57-61.3 董毓新,李彦硕.水电站建筑物结构分析M.大连:大连理工大学出版社,1995.4 李胜军,李振富,王日宣.设有垫层的水电站蜗壳结构联合承载分析J.水力发电学报,1998,(4
23、):21-30.5 付红霞,马震岳,董毓新.水电站蜗壳垫层结构研究J.水利学报,2003,(6):85-88.6 李丹,陈坪.三峡电站蜗壳敷设软垫层浇筑外围混凝土研究J.人民长江,2004,35(4):1-3,48.7 沈善良.三峡水电站采用的新型伸缩节A.水电站压力管道C.武汉:湖北科学技术出版社,2002.129-134.8 鲍乐.水电站大直径压力钢管波纹管补偿器应力计算的可靠性分析A.水电站压力管道C.武汉:湖北科学技术出版社,2002.106-113.Strength and stiffness analysis of spiral casing with different embe
24、dded mannersZHANG Yun2liang,MA Zhen2yue,CHENG Guo2rui,CHEN Jing(Dalian University of Technology,Dalian116024China)Abstract:For three typical manners of steel spiral casing(SC)embedded in concrete,i.e.,manner ofSC embedded in concrete with soft cushion layer(MSCL),manner of SC embedded in concrete wh
25、ileholding a certain water head inside SC(MHWH)and manner of SC embedded directly in concrete(MD),the influence of setting up of expansion joint and anti2thrust ring on the stress and deformationdistributions of a giant SC and its surrounding concrete was analyzed by FEM and thereafter these threema
26、nners were evaluated.Some conclusions are(1)Evaluated from decreasing concrete tensile stress andincreasing SC bearing ratio of water pressure,MSCL is better than MHWH and MHWH is better thanMD.Evaluated from deformation of steel structures,MD is better than MSCL and MHWH.However,evaluated from defo
27、rmation of concrete,MD is worse than MSCL.(2)For MSCL and MHWH,the settingup of expansion joint and anti2thrust ring will not much affect the stress distributions of SC andsurrounding concrete.Evaluated from structural integrated stiffness,MSCL is equivalent to or a littleweaker than MHWH.(3)For MSC
28、L,if setting up of expansion joint is concelled,the anti2thrust ringmay be cancelled.For MHWH,if expansion joint is set up,it is suggested that the anti2thrust ring be setup.This paper can be a reference for the optimal choice of embedding manners for SC.Keywords:hydroelectric engineering;spiral case;embedding manner;expansion joint;anti2thrust ring;numerical simulation(责任编辑:王冰伟)1121