羅乾坤，李治國(guó)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

蝸殼結(jié)構(gòu)空間體型復(fù)雜，是一種特殊的鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，蝸殼內(nèi)水壓力直接作用于鋼襯(鋼蝸殼)內(nèi)表面，并通過(guò)鋼蝸殼膨脹變形向外圍大體積混凝土結(jié)構(gòu)傳遞[1-2]。實(shí)質(zhì)上，由鋼蝸殼和外圍大體積混凝土結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)蝸殼內(nèi)水壓力，鋼蝸殼和混凝土之間的非線性接觸滑動(dòng)行為以及兩者聯(lián)合承載機(jī)理十分復(fù)雜，鋼蝸殼和混凝土之間部分區(qū)域設(shè)置墊層后，原本的鋼襯-混凝土二元結(jié)構(gòu)變?yōu)殇撘r-軟墊層-混凝土三元結(jié)構(gòu)，蝸殼內(nèi)水壓力外傳模式發(fā)生明顯變化?？臻g上墊層材料的介入直接影響到鋼蝸殼和混凝土之間的接觸滑動(dòng)行為和聯(lián)合承載分擔(dān)比例，蝸殼結(jié)構(gòu)受力特性與墊層的材料屬性(壓縮模量、耐久性、厚度)和空間屬性(鋪設(shè)范圍)密切相關(guān)[3-5]。

當(dāng)選定墊層材料后，其材料屬性基本明確，對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)受力特性影響最大的就是墊層的空間屬性(鋪設(shè)范圍)。本文對(duì)猴子巖水電站蝸殼墊層的鋪設(shè)范圍進(jìn)行研究，以期對(duì)蝸殼墊層設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行指導(dǎo)。

1 工程概況

猴子巖水電站壩址位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整推薦 22級(jí)開(kāi)發(fā)方案的第 9個(gè)梯級(jí)電站。電站設(shè)計(jì)單機(jī)引用流量368.40 m3/s，最大水頭147.6 m，最大水錘升壓水頭約為80 m。蝸殼進(jìn)口斷面直徑 7.80 m，HD值約為1 235.6 m2，采用鋼蝸殼外設(shè)置墊層的蝸殼結(jié)構(gòu)形式，墊層材料為聚氨酯軟木。

2 研究對(duì)象及基本思路

借鑒類似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初擬蝸殼墊層水平和子午斷面上末端鋪設(shè)范圍，改變墊層子午方向下末端鋪設(shè)范圍，對(duì)其進(jìn)行敏感性分析，確定有利于蝸殼和外包混凝土結(jié)構(gòu)受力并方便施工的子午方向下末端墊層鋪設(shè)范圍。蝸殼墊層的水平鋪設(shè)范圍為水平包角270°；子午斷面上末端距機(jī)井鋼襯1.5 m。

以2號(hào)機(jī)組段為研究對(duì)象，采用大型通用軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算?？紤]到蝸殼座環(huán)的近似周期對(duì)稱性，選取包含一個(gè)固定導(dǎo)水葉范圍的扇形區(qū)進(jìn)行分析；并考慮到蝸殼進(jìn)口段一般為最不利斷面，故選取進(jìn)口斷面的第一個(gè)管節(jié)建立數(shù)值計(jì)算模型；另外，采用軸對(duì)稱局域模型，進(jìn)行墊層子午方向下末端方案的比較和優(yōu)選。計(jì)算一共考慮四個(gè)方案。

方案一： 墊層下末端鋪設(shè)至腰線以上20°處；

方案二： 墊層下末端鋪設(shè)至腰線以上10°處；

方案三： 墊層下末端鋪設(shè)至腰線處；

方案四： 墊層下末端鋪設(shè)至腰線以下10°處。

3 計(jì)算基本資料和數(shù)值計(jì)算模型

3.1 計(jì)算基本資料

3.1.1 材料特征參數(shù)

(1)混凝土(蝸殼外包)

混凝土標(biāo)號(hào)：C25；靜彈性模量：Eh=28 GPa；泊松比：μ=0.167；重度：γ=25 kN/m3；抗拉強(qiáng)度：1.3 N/mm2；軸心抗壓強(qiáng)度：12.5 N/mm2。

(2)固定導(dǎo)葉、鋼蝸殼、座環(huán)

靜彈性模量：Eh=200 GPa；泊松比：μ=0.30；重度：γ=78.5 kN/m3。

(3)蝸殼墊層(聚氨酯軟木)

靜彈性模量：Eh=2.5 MPa；泊松比：μ=0.30；重度：γ=2.0 kN/m3；厚度20 mm；彈性模量：E=2.5 N/mm2；泊松比：μ=0.3。

3.1.2 邊界條件

模型底部為全固定約束，頂部和機(jī)組分縫處視為自由。扇形區(qū)左右兩個(gè)斷面網(wǎng)格剖分完全相同，即左側(cè)面內(nèi)的某個(gè)結(jié)點(diǎn)和右側(cè)面與其對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)沿水流流向僅相差扇形區(qū)所張的中心角度，其它兩個(gè)坐標(biāo)相同。對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度完全耦合，即視蝸殼及外包混凝土結(jié)構(gòu)為周期對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

3.1.3 計(jì)算荷載

(1)內(nèi)水壓力：按最大工作水壓2.10 MPa考慮(考慮了水擊升壓水頭)，內(nèi)水壓力均勻作用于鋼蝸殼內(nèi)壁、座環(huán)上下環(huán)板等流道壁面上。

(2)發(fā)電機(jī)定子重554 t，均勻分布在各定子基礎(chǔ)板上。

(3)通過(guò)下機(jī)架傳遞的豎向作用力為2 663 t，包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、主軸、下機(jī)架、轉(zhuǎn)輪等設(shè)備自重以及水輪機(jī)承受的軸向水推力，都均勻分布在各下機(jī)架基礎(chǔ)板上。

(4)發(fā)電機(jī)層荷載6.0 t/m2，電氣夾層荷載4.0 t/m2，均勻分布于水輪機(jī)層地面上。

(5)結(jié)構(gòu)自重：重力加速度取9.81 m/s2。

(6)發(fā)電機(jī)風(fēng)罩、樓板、主廠房上下游墻下傳的作用力，對(duì)于蝸殼結(jié)構(gòu)而言屬次要荷載，計(jì)算中不予考慮。

3.1.4 計(jì)算工況

計(jì)算廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)應(yīng)采用諧響應(yīng)分析方法，工況為正常運(yùn)行工況，即選擇機(jī)組滿載運(yùn)行時(shí)的荷載作為周期性荷載施加到基礎(chǔ)板上。

3.2 數(shù)值計(jì)算模型

以2號(hào)機(jī)組為研究對(duì)象，取進(jìn)口段包含一個(gè)完整固定導(dǎo)葉在內(nèi)的扇形區(qū)域作為計(jì)算模型?；炷两Y(jié)構(gòu)上端取至定子基礎(chǔ)板高程1 696.2 m，下端取至廊道頂板底高程1 680.0 m，由三維塊體單元solid45模擬；蝸殼鋼板和固定導(dǎo)葉由板殼單元shell63模擬；薄墊層也由三維塊體元solid45模擬；座環(huán)上下環(huán)板由塊體元solid95模擬。鋼襯-混凝土、鋼襯-墊層之間的接觸為面面接觸，采用conta174和targe170模擬。整個(gè)模型共剖分單元5 342個(gè)，其中塊體元4 487個(gè)，板殼單元325個(gè)，接觸對(duì)265對(duì)，結(jié)點(diǎn)共6 405個(gè)。

整體坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)取在水輪機(jī)蝸殼中心處，Z軸為豎向，向上為正。圖1為包含了一個(gè)完整固定導(dǎo)葉在內(nèi)的扇形區(qū)域和固定導(dǎo)葉、座環(huán)及鋼襯的有限元網(wǎng)格剖分示意。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格有限元網(wǎng)格剖分示意

4 計(jì)算成果分析

為比較四種方案蝸殼外圍混凝土應(yīng)力分布特征，本文選擇了7個(gè)典型特征點(diǎn)(A～G)，其位置如表1和圖2所示，統(tǒng)計(jì)其應(yīng)力值并進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 A～G特征點(diǎn)位置說(shuō)明

圖2 外包混凝土特征點(diǎn)位置示意

4.1 蝸殼外包混凝土環(huán)向應(yīng)力分布特征

圖3為四種鋪設(shè)范圍下外包混凝土的環(huán)向應(yīng)力分布。

圖3 四種方案下外包混凝土環(huán)向應(yīng)力分布

表2為A～G七個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置外包混凝土最內(nèi)側(cè)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)成果。

從圖3和表2可以看出，四種方案下均以腰線上45°附近區(qū)域的環(huán)向拉應(yīng)力最大，且外包混凝土環(huán)向應(yīng)力隨著離蝸殼距離的增大而減小。為了比較蝸殼外圍混凝土環(huán)向應(yīng)力空間分布規(guī)律，本文統(tǒng)計(jì)了沿腰線上45°徑向不同部位混凝土的環(huán)向應(yīng)力值(見(jiàn)表3、圖4)。表3和圖4中r0表示腰線上45°處混凝土最內(nèi)側(cè)的結(jié)點(diǎn)(B點(diǎn))距蝸殼進(jìn)口斷面圓心的距離(內(nèi)半徑)，r表示腰線上45°處混凝土結(jié)點(diǎn)距蝸殼進(jìn)口斷面圓心的距離(半徑)，并采用無(wú)量綱量比值r/r0表示統(tǒng)計(jì)點(diǎn)距離蝸殼進(jìn)口斷面圓心的距離遠(yuǎn)近。

另外，蝸殼外包混凝土環(huán)向應(yīng)力分布還具有如下特征。①除下碟邊附近外，外包混凝土上半圓的環(huán)向拉應(yīng)力比下半圓大。隨著墊層下末端鋪設(shè)范圍向下延伸，混凝土環(huán)向拉應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)也逐漸向下延伸，但混凝土環(huán)向拉應(yīng)力最大值逐漸下降。四種方案下均以腰線上45°附近區(qū)域的環(huán)向拉應(yīng)力最大，在方案一下，該區(qū)域混凝土環(huán)向拉應(yīng)力最大，數(shù)值為2.48 MPa；在方案四下，該區(qū)域混凝土環(huán)向拉應(yīng)力最小，數(shù)值為2.19 MPa。②隨著墊層下末端鋪設(shè)范圍的延伸，除腰線內(nèi)側(cè)特征點(diǎn)C處外，各特征點(diǎn)處混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力數(shù)值均逐漸減小。在特征點(diǎn)C處，隨著墊層下末端鋪設(shè)范圍的延伸也呈逐漸減小的趨勢(shì)。只是在方案三下，墊層下末端鋪至腰線位置，在特征點(diǎn)C處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致方案三下特征點(diǎn)C處混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力高于其他方案。

表2 A～G特征點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力 MPa

表3 混凝土腰線上45°處環(huán)向應(yīng)力 MPa

圖4 混凝土腰線上45°處環(huán)向應(yīng)力

另外，從表3和圖4可以看出：腰線以上45°區(qū)域混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力隨半徑的增大而減小。隨著墊層下末端鋪設(shè)范圍的延伸，腰線以上45°區(qū)域相同位置處混凝土環(huán)向應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，因此，選擇墊層鋪設(shè)至腰線以下是有利的。

4.2 鋼蝸殼、座環(huán)環(huán)板和固定導(dǎo)葉應(yīng)力分布特征

A、B、C、D、E特征點(diǎn)處鋼蝸殼的環(huán)向應(yīng)力和外圍混凝土承載比如表4～5所示。表6列出了四種方案下鋼蝸殼、座環(huán)環(huán)板、固定導(dǎo)葉的最大等效應(yīng)力值。

表4 鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力 MPa

表5 鋼蝸殼環(huán)和混凝土的應(yīng)力承載比

從表4、5可以看出：增加墊層下端鋪設(shè)范圍，對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)A和B處，鋼蝸殼的環(huán)向應(yīng)力略有增大，而混凝土的承載比略有減小。對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)C、D和E處，鋼蝸殼的環(huán)向應(yīng)力明顯增大，而混凝土的承載比降幅較大，其中方案一下特征點(diǎn)C處(腰線位置)，鋼蝸殼的環(huán)向應(yīng)力為81.40 MPa，混凝土承載比為49.05%；而方案四對(duì)應(yīng)位置處鋼蝸殼的環(huán)向應(yīng)力123.16 MPa，混凝土承載比僅為22.92%。

表6 鋼蝸殼、座環(huán)環(huán)板、固定導(dǎo)葉的最大等效應(yīng)力值 MPa

從表6可以看出：隨著墊層下端鋪設(shè)位置的延伸，鋼蝸殼、座環(huán)環(huán)板和固定導(dǎo)葉的最大等效應(yīng)力值均略有增大，但增幅很小。其中最大值為129.6 MPa，發(fā)生在方案四下鋼蝸殼對(duì)應(yīng)墊層上末端位置附近，應(yīng)力數(shù)值小于鋼材的設(shè)計(jì)允許值。

4.3 鋼蝸殼和外包混凝土位移分布特征

圖5和圖6為四種方案下鋼蝸殼徑向位移和外包混凝土豎向位移分布云圖。

圖5 鋼蝸殼徑向位移分布

圖6 鋼蝸殼外包混凝土豎向位移分布

鋼蝸殼徑向位移和外包混凝土典型部位及其最大豎向位移如表7所示。

表7 鋼蝸殼和外包混凝土位移 mm

從圖5～6和表7可以看出，鋼蝸殼和外包混凝土位移分布特征隨著墊層下端鋪設(shè)位置的延伸，鋼蝸殼的徑向位移、外包混凝土和機(jī)墩結(jié)構(gòu)的豎向位移均略有下降。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)四種墊層子午方向末端方案下外包混凝土、鋼蝸殼、座環(huán)環(huán)板和固定導(dǎo)葉應(yīng)力的對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)延伸墊層下末端鋪設(shè)范圍能有效減少蝸殼結(jié)構(gòu)外包混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力，尤其對(duì)腰線附近以及腰線以上45°附近的高拉應(yīng)力區(qū)域影響顯著，以此可以有效減小混凝土的承載比。

(2)墊層下末端向下延伸，對(duì)鋼蝸殼、座環(huán)環(huán)板和固定導(dǎo)葉的最大等效應(yīng)力值影響不大，但能降低鋼蝸殼徑向位移和外圍混凝土結(jié)構(gòu)的豎向位移。

由于將墊層鋪至腰線以下會(huì)增加施工難度，因此經(jīng)本文綜合分析后推薦：墊層下末端鋪至腰線。

(3)在1、3號(hào)機(jī)組蝸殼布置12支測(cè)縫計(jì)、12支鋼板計(jì)、24支鋼筋計(jì)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：機(jī)組鋼蝸殼與外圍混凝土結(jié)合良好，1、3號(hào)機(jī)組蝸殼環(huán)變逐漸趨向鋼板應(yīng)變和鋼筋應(yīng)力沖放水期間受水壓影響變化較明顯，目前應(yīng)力出于穩(wěn)定，表明將蝸殼墊層下末端鋪至腰線推薦方案是合適的。