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(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司成都分院，成都，610091)

水電站混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)不同計算方法對比分析

嚴成斌，雷聲軍，金健，陳小東

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司成都分院，成都，610091)

結(jié)合某河床式水電站工程實際計算結(jié)果，對鋼筋混凝土蝸殼計算常用的平面┌型框架法、混合法、三維有限元法三種方法的計算結(jié)果進行對比分析，分析三種方法的優(yōu)缺點及應注意的問題。

鋼筋混凝土蝸殼 結(jié)構(gòu)計算 計算方法 水電站

鋼筋混凝土蝸殼主要應用于40m水頭以下的水電站，河床式水電站通常水頭低，流量大，進水口、蝸殼和尾水管的結(jié)構(gòu)尺寸大，并且形狀復雜，主要采用梯形斷面，結(jié)構(gòu)計算復雜。本文以一河床式水電站鋼筋混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)計算為例，分析了混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)計算采用不同計算方法的成果，并進行對比分析，有較為有益的工程意義和借鑒價值。

1 基本情況

某水電站位于大渡河上，電站采用堤壩式開發(fā)，為河床式廠房，最大壩高86.5m，機組間距34.6m，一機一縫，主機間段長度138.40m，順水流方向廠房總寬度94.0m，由進水口段、主機間、下游副廠房及GIS開關(guān)站、尾水閘墩等組成。主機間凈寬29.0m，廠房蝸殼型式為混凝土蝸殼，蝸殼進口處流道高度達14.3m。

圖1 蝸殼平面

2 三種計算方法和模型

2.1 第一種：平面┌型框架法

平面┌型框架法，此法沿蝸殼徑向切取幾個平面框架，框架橫梁一端與水輪機坐環(huán)鉸接，另端與蝸殼側(cè)墻剛接成┌型框架，側(cè)墻固定于蝸殼底板或尾水管頂板上。

圖2 平面┌型框架法計算模型

2.2 第二種：混合法

此法是將蝸殼分成幾部分，各部分按其支撐條件和荷載條件分別采用不同的計算方法，即頂板近似采用彈性力學環(huán)形板計算；將左邊墻簡化為下端固端，上下游、上端簡支的雙向板進行計算；右邊墻為豎向梁上下固端，水平梁上游門槽處采用鉸支座，下游固端，采用交叉梁法進行計算。

圖3 混合法頂板計算簡圖

圖4 混合法左邊墻計算簡圖

圖5 混合法右邊墻計算簡圖

2.3 第三種：三維有限元法

計算選擇一個機組段廠房結(jié)構(gòu)建模，上下游側(cè)各取120.00m，基巖深度取130.00m，沿廠房縱軸線方向與廠房同寬，為34.60m。在計算范圍內(nèi)，對廠房(壩體)上、下游排架柱、風罩、機墩、樓板、梁等均按實際尺寸進行模擬。整個計算模型共分成121965個結(jié)點，118589個單元。

圖6 三維有限元整體計算網(wǎng)格圖

3 內(nèi)力計算成果分析

3.1 內(nèi)力計算成果

三種計算方法主要是模型簡化不同，內(nèi)力計算成果見表1～表5。

表1 0°斷面平面┌型框架法內(nèi)力計算結(jié)果統(tǒng)計

表2 0°斷面混合法頂板內(nèi)力計算結(jié)果統(tǒng)計

表3 0°斷面混合法左邊墻內(nèi)力計算結(jié)果統(tǒng)計

表4 180°斷面混合法右邊墻內(nèi)力計算結(jié)果統(tǒng)計

表5 三維有限元法內(nèi)力計算結(jié)果統(tǒng)計(MPa)

3.2 計算成果分析

蝸殼結(jié)構(gòu)中，0°斷面的邊墻是所有蝸殼斷面中最薄的，而且頂板跨度是最大的，都是結(jié)構(gòu)最薄弱部分，作為主要對比結(jié)構(gòu)，從計算結(jié)果來看：

(1)平面┌型框架法計算的頂板最大內(nèi)力為彎矩5729kN·m，剪力2195kN。邊墻底內(nèi)力為彎矩11764kN·m，剪力4397kN；

(2)混合法計算的頂板最大內(nèi)力為彎矩3396kN·m，剪力1952kN；邊墻底內(nèi)力為彎矩9130kN·m，剪力3933kN；

(3)三維有限元法計算的頂板最大拉應力2.77MPa；邊墻最大拉應力為2.5MPa。

根據(jù)內(nèi)力計算成果，配筋成果見表6、表7。

4 三種計算方法分析

(1)經(jīng)計算分析，有限元計算考慮整體結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果配筋較小，平面┌型框架法計算結(jié)果較大；

(2)有限元計算能較直接反映整體結(jié)構(gòu)各個斷面受力情況，直觀性強，平面┌型框架法和混合法只能反映所計算斷面的受力情況，具有較大的局限性；

(3)有限元計算考慮整體結(jié)構(gòu)的受力，由于混凝土蝸殼運行工況復雜，還需要采用平面┌型框架法和混合法計算復核。

表6 配筋情況

表7 實配配筋情況

5 結(jié)論

鋼筋混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)復雜，平面┌型框架法和混合法都對結(jié)構(gòu)進行了簡化，不能很好地反映混凝土結(jié)構(gòu)的整體受力情況，對一些局部應力集中的部位容易忽略，計算結(jié)果偏大。大型混凝土蝸殼需進行三維有限元分析，計算結(jié)果能較全面反映結(jié)構(gòu)整體受力情況。

〔1〕石長征.河床式水電站混凝土蝸殼抗裂和限裂研究[J].水力發(fā)電學報，2015，34(6)：154-459.

〔2〕黃克戩.水電站廠房鋼筋混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)分析第八屆全國水電站壓力管道學術(shù)會議論文集.

TV314∶TV222.2

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2095-1809(2017)05-0100-03

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