某水电站垫层蜗壳结构静力受力特性分析

魏明

摘要：通过利用ANSYS结构分析程序研究某水电机组垫层蜗壳结构在静力荷载作用下的受力特性，对蜗壳结构应力和位移的计算分析，得出蜗壳结构在不同的垫层弹性模量和不同的垫层包角情况下的应力和位移变化规律。设置垫层处的钢衬可以有较大的变形空间，所以可以承担更大的水压力，以减少蜗壳外围混凝土承担的水压力，减小混凝土开裂，有效发挥钢衬的抗拉作用。仅供工程设计参考。

关键词：蜗壳；垫层；静力荷载；钢衬

引言

目前，国内外大型水电站钢蜗壳结构设计形式主要有三种[1]：（1）钢蜗壳外直接浇筑混凝土，既不设垫层也不充水预压；（2）钢蜗壳在充水预压状态下浇筑外围混凝土；（3）钢蜗壳上部一定范围内铺设垫层后浇筑外围混凝土。我国已建、在建和设计中的水电站蜗壳，许多采用了第三种结构形式。这种形式的优点在于，可以减少钢蜗壳向外围钢筋混凝土结构传递的内水压力，充分发挥钢衬的承载力，改善蜗壳外围混凝土的应力状态，提高其抗裂安全度。本文利用ANSYS结构分析程序对水电站蜗壳进行整体静力有限元分析，研究在静力荷载作用下蜗壳结构的受力特性，通过对蜗壳结构应力和位移的计算分析，得出蜗壳结构在不同的垫层弹性模量和不同的垫层包角情况下的应力和位移变化规律。当蜗壳结构设有垫层时，设置垫层处的钢衬可以有较大的变形空间，所以可以承担更大的水压力，以减少蜗壳外围混凝土承担的水压力，可以减小混凝土开裂，有效发挥钢衬的抗拉作用。

1.基本资料

1.1工程概况某工程水电站最大坝高250m，坝顶中心长度459.64m。水库正常蓄位为▽2452m，死水位▽2440m，总库容10.79×108m3，调节库容1.5×108m3。电站总装机容量4200MW（6×700MW），保证出力990MW，额定发电水头205m，多年平均发电量102.23×108kW?h。水电站厂房钢蜗壳进口直径R=6.42m，其圆距机组中心线8.6m，钢板厚6cm；座环上下环板厚20cm。蜗壳垫层厚度取3cm。见图1、图2。

机组引水管道有关参数

（1）额定转速：142.8r/min；fn=2.38Hz

（2）固定导叶数：24个

（3）活动导叶数：Zg=24个

（4）转轮叶片数：Zb=16个

（5）转子重量：14000kN

（6）转轮重量：2700kN

1.2材料参数蜗壳外包混凝土：密度2548.4kg/m3，泊松比0.167，弹性模量28.5GPa；固定导叶、钢蜗壳、座环：密度7800kg/m3，泊松比0.30，弹性模量210GPa；垫层：密度254.84kg/m3，泊松比0.001，厚度3cm，垫层弹性模量分别根据不同方案取3.0MPa和4.5MPa。1.3相关荷载自重，蜗壳的最大工作水压为2.76MPa，厂房发电机层荷载为85kN/m3，电气夹层荷载为20kN/m2，设备重量如下：

发电机下机架：2400kN发电机转子：18000kN

发电机定子：9500kN水轮机转轮：2700kN

水轮机顶盖：2300kN

1.4静力有限元模型

1.4.1计算模型

计算模型上端取至定子基础高程EL2231.50m，下端取至尾水管直锥段高程EL2210.0m左右两端取至机组分缝处。结构整体模型见图3。

式中：k0为岩石的单位弹性抗力系数；r为厂房跨度的一半；A为节点作用面积；E0为岩石的弹性模量；为岩石的泊松比。

切向弹簧刚度取为法向弹簧刚度的三分之一。

1.4.3单元划分

混凝土用solid95实体单元模拟；厚度变化的蜗壳钢板、座环上下环板由薄板单元shell63模拟；固定导叶由beam188单元模拟；垫层由实体单元solid45单元模拟。钢衬-混凝土、钢衬-垫层之间的接触为面面接触，采用contal174和targel170单元模拟。整个模型共剖分单元119208个，节点152897个。

坐标取向以顺水流方向为X方向，向下游为正；竖直方向为Y向，向上为正；坝轴线方向为Z向，向右岸为正。

2计算方案及荷载施加

2.1计算方案

为了分析研究蜗壳结构在水压力、自重，机组荷载等作用下的受力特性，便于比较和分析，计算采用以下几种方案：

方案T1：垫层敷设范围的下边缘位于蜗壳腰线上30°，垫层弹性模量取4.5MPa，垫层厚度取3cm。

方案T2：垫层敷设范围的下边缘位于蜗壳腰线位置，垫层弹性模量取4.5MPa，垫层厚度取3cm。

方案T3：垫层敷设范围的下边缘位于蜗壳腰线下30°，垫层弹性模量取4.5MPa，垫层厚度取3cm。

方案Z1：蜗壳外围不设垫层，直接埋于混凝土中。

2.2荷载施加

计算荷载包括：自重、水压力、设备重量以及上层楼板活荷载等。

自重：结构自重根据混凝的标号分区和重度，按惯性力施加在计算模型上，重力加速度取9.81m/s2。

水荷载：水压力取2.76MPa，均匀作用于钢蜗壳内壁。

设备重量：定子基础板和下机架基础板上的设备重量均匀作用于该面上。

上层楼板活荷载：各层楼板上的活荷载和设备重量均匀作用于该层楼板上。

2.3垫层蜗壳结构计算分析

通过三维有限元模型对蜗壳结构进行模拟，分析其在不同的垫层弹性模量和包角的方案下蜗壳结构本身的受力特性和基本规律。以下通过对垫层蜗壳的三个典型剖面+X剖面、-Y剖面和-X剖面进行应力和位移分析来研究其受力特性。三个典型剖面的位置示意图见图4-4。

图4蜗壳典型剖面示意图

Fig.4Thetypicalprofilediagramofthespiralcase

2.3.1垫层蜗壳结构应力分析

在有内水压力作用下，蜗壳结构中的内水压力由钢衬和外包混凝土共同承担，现对钢衬外围混凝土进行分析，得出在不同垫层弹性模量和包角的情况下混凝土所受径向力的变化。

a.应力计算结果分析

由应力等值线图5、6和7可以看出：方案T1+X剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为2.0MPa，与垫层相接的混凝土的径向压力为1.1MPa；-Y剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为2.1MPa，与垫层相接的混凝土的径向压力为0.9MPa；-X剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为1.5MPa，与垫层相接的混凝土的径向压力为0.7MPa。

由应力等值线图8、9和10可以看出：方案T2+X剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为1.6MPa，与垫层相接的混凝土的径向压力为0.7MPa；-Y剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为1.7MPa，与垫层相接的混凝土的径向压力为0.9MPa；-X剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为1.3MPa，与垫层相接的混凝土的径向压力为0.7MPa。

由应力等值线图11、12和13可以看出：方案T3+X剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为1.1MPa，与垫层相接的混凝土的径向压力为0.4MPa；-Y剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为1.2MPa，与垫层相接的混凝土的径向压力为0.6MPa；-X剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为0.8MPa，与垫层相接的混凝土的径向压力为0.4MPa。

方案Z1钢蜗壳外全部包围混凝土，由应力等值线图14、15和16可以看出：+X剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为2.5MPa；-Y剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为2.5MPa；-X剖面中，蜗壳内与钢衬相接的混凝土径向压力为2.5MPa。

b.工况对比分析

通过以上计算结果分析，几种工况的对比分析见下：

（1）由方案T1（垫层包角上30°，弹性模量4.5MPa）、方案T3（垫层包角上0°，弹性模量4.5MPa）和方案T4（垫层包角下30°，弹性模量4.5MPa）的计算结果分析可以看出：在同一种垫层弹性模量下，随着垫层包角的增大，钢衬的可变形范围增大，钢衬所承担的水压力增大，蜗壳三个断面混凝土所承担的水压力减小。

（2）由方案T3（垫层包角上0°，弹性模量4.5MPa）和方案Z1（不设垫层，蜗壳直埋于混凝土中）的计算结果分析可以看出：在同一种垫层包角下，随着垫层弹性模量的增大，钢衬的可变形范围减小，钢衬所承担的水压力减小，蜗壳三个断面混凝土所承担的水压力增大。

2.3.2钢蜗壳位移分析

为了研究钢蜗壳在内水压力作用下的变形特征，取以上每个典型断面上的五个特征点，从蜗壳腰线位置向上取0°点、30°点、45°点、75°点和90°点，见图4-20。各点的径向位移见表4-1

图17关键点位置示意图

Fig.17Skethmapofthekeypoints’location

表1各方案剖面径向位移表（单位：mm）

Table4-1Radialdisplacementoftheschemetable（Unit：mm）

由表1的计算结果可以看出：

（1）在方案T1下（垫层包角上30°，弹性模量4.5MPa），三个剖面的0°点和30°点处都无垫层，所以其径向位移都很小，在0.01～0.3mm之间；45°点、75°点和90°点处设置了垫层，其径向位移较大，在2.9mm～4.5mm之间。在方案T2下（垫层包角0°，弹性模量3MPa），三个剖面的0°点处无垫层，所以其径向位移很小，在0.04～0.3mm之间；30°点、45°点、75°点和90°点处设置了垫层，其径向位移较大，在3.3mm～5.4mm之间。在方案T3下（垫层包角0°，弹性模量4.5MPa），三个剖面的0°点处无垫层，所以其径向位移都很小，在0.06～0.3mm之间；30°点、45°点、75°点和90°点处设置了垫层，其径向位移较大，在2.9mm～4.6mm之间。在方案T4下（垫层包角下30°，弹性模量4.5MPa），三个剖面的五个点处都设置了垫层，其径向位移较大，在2.2mm～3.1mm之间。在方案Z1下（不设垫层，蜗壳直埋于混凝土中），三个剖面的五个点处都无垫层，所以其径向位移都很小，在0.1～0.7mm之间。

（2）由方案T2（垫层包角0°，弹性模量4.5MPa）和方案Z1（不设垫层，蜗壳直埋于混凝土中）的计算成可以看出，在同种垫层包角情况下，随着垫层弹性模量的增大，钢衬的径向变形减小。主要由于当垫层弹性模量增大时，限制了钢衬的变形。

3.结论

主要是研究在静力荷载作用下蜗壳结构的受力特性，通过对蜗壳结构应力和位移的计算分析，得出蜗壳结构在不同的垫层弹性模量和不同的垫层包角情况下的应力和位移变化规律。当蜗壳结构设有垫层时，设置垫层处的钢衬可以有较大的变形空间，所以可以承担更大的水压力，以减少蜗壳外围混凝土承担的水压力，可以减小混凝土开裂，有效发挥钢衬的抗拉作用。

参考文献：

［1］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.