王紅強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安　710065)

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贊比亞伊泰茲水電站廠房上游墻止推環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

王紅強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安710065)

摘要：應(yīng)用三維有限元計算伊泰茲水電站廠房上游墻止推環(huán)結(jié)構(gòu)及其附近混凝土應(yīng)力，并依據(jù)止推環(huán)及其鄰近壓力鋼管在蝸殼不平衡水推力作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行安全性評價。環(huán)后混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布對結(jié)構(gòu)配筋計算具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：止推環(huán)；不平衡水推力；結(jié)構(gòu)應(yīng)力;伊泰茲水電站

1工程概況

伊泰茲水電站位于贊比亞南方省丘莫市伊泰茲區(qū)，大壩位于贊比西河和凱福河交匯點上游295 km處。伊泰茲大壩于1978年建成，是下游凱福峽水電站的調(diào)節(jié)水庫，主要用于蓄水灌溉和凱福河流量管理，調(diào)節(jié)上凱福峽水電站的水力發(fā)電流量。新建水電站利用南導(dǎo)流洞改建為引水洞，并開挖、修建新的引水洞和調(diào)壓井，以及地面廠房和尾水渠[1-2]。主廠房內(nèi)布置2臺單機(jī)容量為60 MW的軸流式水輪機(jī)組，額定水頭40 m，總裝機(jī)容量120 MW。機(jī)組單機(jī)引用流量155.4 m3/s。廠房結(jié)構(gòu)橫縫采用一機(jī)一縫。主廠房寬29.0 m，1號機(jī)組段長25.0 m，2號機(jī)組段長25.5 m，高度53.0 m。主廠房上游每臺機(jī)組布置一臺直徑為6.3 m的進(jìn)水蝶閥。機(jī)組采用金屬蝸殼，進(jìn)口直徑6.3 m。

經(jīng)調(diào)查，很多水電站工程設(shè)計中都采用在蝸殼進(jìn)口斷面上游處設(shè)置止推環(huán)的方式來減小不平衡水推力所造成的不利影響[2-6]。特別針對伸縮節(jié)過縫形式，在伸縮節(jié)下游設(shè)置止推環(huán)來承擔(dān)部分蝸殼不平衡水推力已經(jīng)成為業(yè)界的共識[1，7-8]。但伊泰茲水電站項目因廠房尺寸及機(jī)電承包商有關(guān)流道系統(tǒng)的布置要求等因素的限制，止推環(huán)的位置一反常態(tài)沒有設(shè)在大體積混凝土內(nèi)部，而設(shè)在最小厚度僅為1.2 m的上游墻內(nèi)部。止推環(huán)的這種布置形式對壓力鋼管以及環(huán)后混凝土的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響。

2研究的主要內(nèi)容

2.1壓力鋼管及止推環(huán)應(yīng)力分析

考慮在不平衡水推力及內(nèi)水壓力作用下，與止推環(huán)相接部分的壓力鋼管及止推環(huán)本身的應(yīng)力狀態(tài)，計算分析壓力鋼管的局部膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力疊加區(qū)的應(yīng)力值及總體膜應(yīng)力，并與各自對應(yīng)的允許應(yīng)力強(qiáng)度相比較。同時計算分析止推環(huán)的二次應(yīng)力并與允許應(yīng)力強(qiáng)度相比較。根據(jù)上述比較結(jié)果對止推環(huán)及其鄰近部位壓力鋼管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力是否滿足美國規(guī)范的要求進(jìn)行評價。

2.2環(huán)后混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

因該項目的止推環(huán)位于廠房上游墻內(nèi)，在巨大不平衡水推力的作用下，為了保證上游墻的安全，采用局部三維模型對止推環(huán)后混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元計算，重點就環(huán)后混凝土的拉應(yīng)力區(qū)域及大小進(jìn)行分析，為環(huán)后混凝土的配筋提供依據(jù)。

3不平衡水推力對壓力鋼管及止推環(huán)的應(yīng)力分析

3.1計算模型

采用三維有限元軟件ANSYS建立廠房上游墻及墻內(nèi)止推環(huán)模型，對止推環(huán)結(jié)構(gòu)用實體單元模擬[9]。計算采用笛卡爾坐標(biāo)系，Z軸為水流方向，X軸為水平方向，Y軸為垂直方向。因本計算研究重點為止推環(huán)及其鄰近混凝土應(yīng)力，故將上游墻四周均采用固端約束來模擬。計算模型詳見圖1。在計算模型中未考慮止推環(huán)環(huán)周36塊加勁板對止推環(huán)整體剛度提升的影響，將其作為安全儲備。

圖1　整體模型圖

3.2應(yīng)力結(jié)果

壓力鋼管和止推環(huán)的幾種類型應(yīng)力極值結(jié)果見表1，按規(guī)范[10]評判準(zhǔn)則，可以確定在內(nèi)水壓力作用下，壓力鋼管結(jié)構(gòu)和止推環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的應(yīng)力滿足要求。

表1　壓力鋼管及止推環(huán)應(yīng)力結(jié)果表　/MPa

4環(huán)后鋼筋混凝土的配筋分析

止推環(huán)位于廠房上游墻內(nèi)，根據(jù)廠家提供的資料，正常運行時所受的水推力為16 526.8 kN，機(jī)組甩負(fù)荷時所受的水推力為23 738.5 kN，在如此大的荷載作用下，初步推斷止推環(huán)下游側(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)可能會有問題。為了了解止推環(huán)附近混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，采用三維模型對止推環(huán)后混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元計算。環(huán)后混凝土在甩負(fù)荷工況下的應(yīng)力分布見表2。

表2　環(huán)后混凝土應(yīng)力結(jié)果表　/MPa

從應(yīng)力計算結(jié)果可以看出，在機(jī)組甩負(fù)荷工況下，止推環(huán)后混凝土應(yīng)力分布有兩大特點：一是最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在與止推環(huán)外緣相交處的混凝土附近；二是最大壓應(yīng)力(σx與σy)出現(xiàn)在止推環(huán)下部墻下游側(cè)的中上部。且上述兩部分均有較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。從最為關(guān)注的環(huán)后混凝土Z向應(yīng)力分布情況來看，止推環(huán)下游面混凝土壓應(yīng)力范圍為2.1～13.1 MPa，止推環(huán)外圍混凝土拉應(yīng)力最高已經(jīng)達(dá)到19.8 MPa，其他3個方向的最大拉應(yīng)力也已達(dá)到8 MPa左右。后續(xù)設(shè)計應(yīng)針對止推環(huán)下游側(cè)混凝土做專門的配筋計算。從上述2個較為極端的混凝土應(yīng)力分布范圍來看，與中國規(guī)范[10]規(guī)定的C25混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度設(shè)計值分別為11.9 MPa和1.27 MPa相比，混凝土抗壓強(qiáng)度略有超標(biāo)，抗拉強(qiáng)度超標(biāo)較多。

考慮到計算中未計及環(huán)周加勁板對止推環(huán)剛度的巨大加強(qiáng)作用，同時忽略了鋼管與混凝土接觸面的摩擦等利好限制作用，從而導(dǎo)致環(huán)后混凝土應(yīng)力集中較為明顯，后續(xù)設(shè)計應(yīng)針對止推環(huán)下游側(cè)混凝土作專門的配筋計算，本次計算成果僅供參考。

5結(jié)語

(1) 在巨大的蝸殼不平衡水推力作用下，止推環(huán)最大Von Mises應(yīng)力、止推環(huán)下游壓力鋼管整體膜應(yīng)力以及局部膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力值均分別小于各自對應(yīng)的允許值。

(2) 從止推環(huán)環(huán)后混凝土應(yīng)力分布整體來看：最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在與止推環(huán)外緣相交處的混凝土附近，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在止推環(huán)與壓力鋼管相交處下游側(cè)的混凝土附近，混凝土抗壓強(qiáng)度略有超標(biāo)，抗拉強(qiáng)度超標(biāo)較多，在后續(xù)設(shè)計中應(yīng)結(jié)合上游墻整體應(yīng)力分析作專門的配筋計算。

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Analysis on Structural Stress of Thrust Collar at Powerhouse Upstream Wall,Itezhi Hydropower Project

WANG Hongqiang

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065, China)

Abstract:By application of 3D finite element method, stresses of the thrust collar at powerhouse upstream wall and its surrounding concrete are calculated. Furthermore, their safety is assessed in accordance with structural stresses of the thrust collar and its neighboring penstock under the action of the unbalanced hydraulic thrust of the spiral case. The structural stress distribution of the concrete behind the thrust collar is referred to the reinforcement arrangement of the structure.

Key words:thrust collar; unbalanced hydraulic thrust; structural stress

中圖分類號：TV312

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.009

作者簡介：王紅強(qiáng)(1983- )，男，陜西省寶雞市人，工程師，從事水利水電工程水工專業(yè)設(shè)計工作.

收稿日期：2015-06-09

文章編號：1006—2610(2016)01—0037—02