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        水電站蝸殼三維彈塑性損傷分析

        2011-05-10 06:42:38侯攀鄧瞻
        電網(wǎng)與清潔能源 2011年3期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)水蝸殼水輪機(jī)

        侯攀,鄧瞻

        (中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院,四川成都 610072)

        1 研究背景

        蝸殼是水電站廠房的“心臟”,由于蝸殼結(jié)構(gòu)形式和受力狀況復(fù)雜,成為水電站廠房設(shè)計中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1~4],因此有限元計算成為蝸殼設(shè)計的重要手段。由于鋼筋混凝土材料和荷載效應(yīng)的復(fù)雜性,現(xiàn)存的各種混凝土本構(gòu)關(guān)系、破壞準(zhǔn)則、鋼筋的本構(gòu)關(guān)系及鋼筋與混凝土的交互模型等,是在模型試驗的基礎(chǔ)上,基于一些簡化和假定而建立的與模型試驗結(jié)果基本相符的數(shù)學(xué)力學(xué)模型。ABAQUS軟件是目前世界上最強(qiáng)大的非線性有限元分析工具之一,其中提供了混凝土彈塑性斷裂損傷模型及鋼筋單元。并且引入了損傷指標(biāo)的概念,可以對混凝土的彈性剛度矩陣進(jìn)行折減,來模擬混凝土的剛度隨著損傷值增加而降低的特性[5~8]。因此本文計算中采用了ABAQUS軟件[9]。

        2 非線性有限元理論簡介

        2.1 應(yīng)變率的分解

        應(yīng)變率的表達(dá)式如式(1)所示,式中,著觶為總的應(yīng)變率;著觶el為應(yīng)變率的彈性部分;著觶pl為應(yīng)變率的塑性部分。

        2.2 引入損傷指標(biāo)后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

        當(dāng)引入損傷指標(biāo)后,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如式(2)所示,式中,D0el表示材料未受損傷時的剛度,Del=(1-d)D0el表示材料受到損傷后的剛度;d為剛度退化變量,d在0(沒有損傷)到1(完全損傷)之間變化。

        有效應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如式(3)所示:

        因此,柯西應(yīng)力和有效應(yīng)力的關(guān)系為:

        對于所有結(jié)構(gòu)的截面,(1-d)表示有效荷載率:承載面積(結(jié)構(gòu)截面面積減去已受損傷的面積)與結(jié)構(gòu)截面面積的比值。當(dāng)未受損傷時,d=0,有效應(yīng)力與柯西應(yīng)力相等。因此,當(dāng)結(jié)構(gòu)受損傷后有效應(yīng)力比柯西應(yīng)力更能反映實際狀況。

        2.3 非線性方程組解法簡介

        程序中采用了牛頓-拉弗森法,每次迭代都修改Jacobian矩陣,收斂性好,適用于任何非線性問題,特別是高度非線性問題。收斂判據(jù)按(5)式考慮,若增量步收斂需要多次迭代計算,則按(6)式考慮:

        3 工程資料

        3.1 材料特征參數(shù)

        混凝土結(jié)構(gòu)采用C20混凝土,其材料力學(xué)參數(shù)如表1。

        表1 混凝土材料參數(shù)

        鋼蝸殼和座環(huán)材料參數(shù)見表2。

        表2 鋼蝸殼及座環(huán)材料參數(shù)

        3.2 荷載資料

        廠家提供的各種主要機(jī)電設(shè)備荷載見表3。

        表3 機(jī)電設(shè)備荷載表

        正常運(yùn)行工況下,水輪機(jī)層樓面均布活荷載為5 kN/m2。檢修工況下,水輪機(jī)層樓面均布活荷載為40 kN/m2。充水保壓蝸殼的保壓值為1.80 MPa,最大內(nèi)水壓力為3.4 MPa(包括水擊壓力)。

        計算荷載為:內(nèi)水壓力(3.40 MPa)+結(jié)構(gòu)自重+機(jī)組基礎(chǔ)荷載+水輪機(jī)層樓面活載。

        由于充水保壓值為180 m水頭,鋼蝸殼單獨(dú)承擔(dān)1.8 MPa的內(nèi)水壓力,蝸殼與外圍混凝土聯(lián)合承載1.6 MPa的內(nèi)水壓力。計算時考慮施工及運(yùn)行順序,第一步考慮蝸殼與座環(huán)單獨(dú)承載的內(nèi)水壓力1.8 MPa,第二步施加與水荷載無關(guān)的荷載:結(jié)構(gòu)自重、機(jī)組基礎(chǔ)荷載、水輪機(jī)層荷載,第三步施加與水荷載有關(guān)的荷載:蝸殼內(nèi)水壓力。

        3.3 配筋方案

        本模型中采用的配筋方案為兩層配筋,具體位置的配筋布置見表4。

        表4 蝸殼外圍結(jié)構(gòu)具體位置鋼筋布置

        4 計算模型

        計算模型在縱軸線方向取至兩側(cè)機(jī)組段分縫處,寬度為17 m;上下游方向自上游蝸殼進(jìn)口臨空面取至下游一二期混凝土分界處,長度為13.95 m;高度方向自球閥層高程1 860.30 m取至定子基礎(chǔ)高程1 872.16 m,高度11.86 m。模型底部施加全約束,其他邊界均取為自由邊界(一二期混凝土邊界實際并非自由面,此處偏安全考慮,取自由邊界)。另外,計算模型中加入了鋼筋單元,嵌入混凝土單元中。計算模型見圖1、圖2。

        圖1 非線性計算模型

        圖2 非線性計算鋼筋模型

        整個計算模型共43 199個節(jié)點(diǎn),40 898個單元,其中座環(huán)432個單元,鋼蝸殼979個單元,混凝土13 695個單元。鋼筋25 068個單元,機(jī)井內(nèi)襯712個單元。

        5 計算成果

        5.1 鋼筋應(yīng)力

        蝸殼周圍內(nèi)層環(huán)向鋼筋應(yīng)力整體水平并不高,最大值出現(xiàn)在蝸殼進(jìn)口以后靠近座環(huán)底部位置,鋼筋應(yīng)力最大值為22.50 MPa。蝸殼周圍內(nèi)層水流向鋼筋應(yīng)力水平較低,最大僅為3.16 MPa,遠(yuǎn)低于鋼筋的設(shè)計強(qiáng)度。

        水輪機(jī)層沿廠房縱軸向鋼筋應(yīng)力在直管段頂部及水輪機(jī)層與機(jī)墩相交部位數(shù)值略大,但最大值僅為6.22 MPa。水輪機(jī)層順河向鋼筋應(yīng)力整體同樣較小,最大5.80 MPa,出現(xiàn)在機(jī)墩進(jìn)人孔附近。

        機(jī)組段四周的水平向鋼筋應(yīng)力普遍較小,只是在蝸殼直管段進(jìn)口的頂?shù)撞肯鄬^大,最大為6.56 MPa。豎向鋼筋應(yīng)力水平整體較低,最大是7.69 MPa,出現(xiàn)在蝸殼直管段進(jìn)口兩側(cè)腰部位置。

        機(jī)井和直錐段附近豎向鋼筋應(yīng)力水平整體不高,但值得注意的是在座環(huán)的頂部和底部混凝土較薄的位置,鋼筋應(yīng)力數(shù)值局部較大,最大值分別達(dá)到22.94 MPa和50.90 MPa。見圖3~8。

        圖3 蝸殼周圍內(nèi)層環(huán)向鋼筋應(yīng)力(MPa)

        圖4 蝸殼周圍內(nèi)層水流向鋼筋應(yīng)力(MPa)

        圖5 蝸殼周圍外層豎向鋼筋應(yīng)力(MPa)

        圖6 蝸殼周圍外層水平鋼筋應(yīng)力(MPa)

        圖7 水輪機(jī)層縱軸向鋼筋應(yīng)力(MPa)

        圖8 水輪機(jī)層順河向鋼筋應(yīng)力(MPa)

        5.2 蝸殼外圍混凝土的損傷區(qū)域

        由于蝸殼單獨(dú)承擔(dān)了1.8 MPa的內(nèi)水壓力,有利于鋼襯充分發(fā)揮作用,外圍混凝土結(jié)構(gòu)損傷范圍較小。從整體來看,由于蝸殼管徑較小,外包混凝土較厚,因此從表面來看,蝸殼混凝土結(jié)構(gòu)外觀基本未出現(xiàn)損傷,但值得注意的是,在蝸殼直管段鼻端附近以及蝸殼進(jìn)口以后管徑較大處座環(huán)頂?shù)撞课恢?,混凝土出現(xiàn)了一定程度的損傷,顯然在座環(huán)頂?shù)撞课恢没炷料鄬^薄,應(yīng)力水平相對較高,此處應(yīng)加強(qiáng)局部配筋。見圖9~10。

        圖9 蝸殼混凝土上半部結(jié)構(gòu)損傷圖

        圖10 蝸殼混凝土下半部結(jié)構(gòu)損傷圖

        5.3 蝸殼外圍混凝土裂縫寬度驗算

        對于蝸殼結(jié)構(gòu),應(yīng)驗算裂縫寬度。本文根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》DL/T 5057-1996正截面裂縫寬度驗算公式,進(jìn)行裂縫寬度的驗算。

        結(jié)合蝸殼外圍混凝土損傷情況可以看出,混凝土整體損傷范圍較小,不致出現(xiàn)貫穿性裂縫,因此,選取鋼筋應(yīng)力最大的截面進(jìn)行驗算?;炷龄摻顟?yīng)力最大值為50.90 MPa,位于座環(huán)底部混凝土較薄的位置,計算得到最大裂縫寬度為0.13 mm,能夠滿足規(guī)范要求。

        5.4 結(jié)構(gòu)位移

        定子基礎(chǔ)板、下機(jī)架基礎(chǔ)板的相對不均勻上抬量對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行有著重要影響。從計算結(jié)果可知,由于鋼蝸殼單獨(dú)承擔(dān)了1.8 MPa的內(nèi)水壓力,且蝸殼管徑較小,蝸殼上部機(jī)墩結(jié)構(gòu)的混凝土較厚,因此在1.6 MPa內(nèi)水壓力作用下,蝸殼結(jié)構(gòu)的位移較小。定子基礎(chǔ)板、下機(jī)架基礎(chǔ)板的相對不均勻上抬量詳見表5,各對角不均勻上抬量均較小,這對于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行是非常有利的。

        表5 水荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)不均勻上抬位移mm

        6 結(jié)語

        員)通過計算分析,本水電站蝸殼鋼筋應(yīng)力水平較低,裂縫寬度滿足規(guī)范要求;混凝土損傷區(qū)不大,定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)不均勻上抬較小,應(yīng)力和變形規(guī)律性合理。因此,本水電站蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,能滿足機(jī)組設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

        圓)目前,運(yùn)行水頭高、單機(jī)容量大的水電站越來越多,蝸殼尺寸巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,給水電站設(shè)計帶來挑戰(zhàn),非線性有限元成為蝸殼結(jié)構(gòu)計算有效手段,其計算成果可以為設(shè)計人員提供重要的設(shè)計依據(jù)。

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        [9]莊茁,張帆,岑松,等.ABAQUS非線性有限元分析與實例[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

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