冉昱呈，張 蕾，侯東奇

(1.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；2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

0 前 言

隨著水電建設(shè)水平的進(jìn)步，電站的裝機(jī)容量和結(jié)構(gòu)尺寸不斷增大，廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算愈加復(fù)雜。風(fēng)罩是水電站廠房中的重要結(jié)構(gòu)之一，承擔(dān)發(fā)電機(jī)層、電氣夾層和上機(jī)架基礎(chǔ)傳來的荷載和溫度荷載，其中內(nèi)壁溫度和外壁溫度之差對(duì)內(nèi)力結(jié)果影響較大。本文基于ANYS軟件建立水電站廠房機(jī)組段模型，分析各方案下風(fēng)罩結(jié)構(gòu)受力情況，探尋機(jī)墩溫度荷載對(duì)風(fēng)罩內(nèi)力的影響。

1 工程概況

某工程廠房為地下廠房，風(fēng)罩高度7.0 m，高程為2 601.00～2 608.00 m，橫向19.1 m，縱向17.8 m，上游墻方向厚度1.8 m，其余方向厚度均為0.8 m。風(fēng)罩頂部厚板厚1.5 m，外部尺寸與風(fēng)罩相同，內(nèi)徑15.4 m，其上布置有10個(gè)上機(jī)架基礎(chǔ)板。本計(jì)算以廠房其中某機(jī)組段為對(duì)象，沿廠房縱軸線方向取長(zhǎng)30.58 m，寬25.0 m，高從2 566.70 m至發(fā)電機(jī)層樓面高程2 608.00 m。

在計(jì)算范圍內(nèi)，對(duì)水輪機(jī)鋼鍋殼、座環(huán)外圍混凝土、機(jī)墩風(fēng)罩混凝土均按實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬。模型上下游與圍巖連接的邊界節(jié)點(diǎn)加法向彈性鏈桿模擬圍巖的約束作用，彈性鏈桿的剛度與圍巖的單位抗力系數(shù)成正比；機(jī)組段之間設(shè)有永久分縫，因此模型兩側(cè)混凝土邊界按自由面考慮。計(jì)算模型中圍巖各邊界施加法向約束，底部施加全約束。

機(jī)墩風(fēng)罩混凝土、座環(huán)、立柱和板梁采用八結(jié)點(diǎn)三自由度六面體單元，個(gè)別區(qū)域采用三自由度四面體單元過渡。模型總單元數(shù)250 311。機(jī)墩風(fēng)罩模型、整體模型網(wǎng)格示意分別見圖1～2。

圖1 機(jī)墩風(fēng)罩網(wǎng)格 圖2 整體模型網(wǎng)格

2 計(jì)算荷載和工況

2.1 計(jì)算荷載

結(jié)構(gòu)自重?？紤]模型所有混凝土與金屬的自重。

樓面荷載。根據(jù)機(jī)電專業(yè)所提供廠房各層樓板荷載資料單，發(fā)電機(jī)層樓面均布活荷載為6 t/m2，電氣夾層樓面均布活荷載為4 t/m2，水輪機(jī)層樓面均布活荷載為6 t/m2。

內(nèi)水壓力。蝸殼最大內(nèi)水壓力為3.40 MPa(包括水錘壓力)，蝸殼正常運(yùn)行內(nèi)水壓力為2.63 MPa，其中充水保壓值為1.7 MPa。

發(fā)電機(jī)組荷載。單個(gè)基礎(chǔ)板荷載為①定子基礎(chǔ)：豎直方向正常運(yùn)行工況為727 kN，飛逸工況為706 kN，徑向正常運(yùn)行工況為30 kN，飛逸工況為357 kN，切向正常運(yùn)行工況為429 kN，飛逸工況為15 kN。②下機(jī)架基礎(chǔ)：豎直方向正常運(yùn)行工況和飛逸工況均為1 770 kN，徑向正常運(yùn)行工況為139 kN，飛逸工況為0。③上機(jī)架基礎(chǔ)：徑向正常運(yùn)行工況為159 kN，飛逸工況為253 kN，切向正常運(yùn)行工況為96 kN，飛逸工況為42 kN。

溫度荷載。風(fēng)罩內(nèi)壁溫度為35 ℃，風(fēng)罩外壁溫度為15 ℃，計(jì)算參考溫度為20 ℃。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)不同的荷載資料以及機(jī)墩溫度荷載施加情況，工況組合如下——

工況1：正常運(yùn)行工況，不考慮機(jī)墩溫度荷載；

工況2：機(jī)組飛逸工況，不考慮機(jī)墩溫度荷載；

工況3：正常運(yùn)行工況，考慮機(jī)墩溫度荷載；

工況4：機(jī)組飛逸工況，考慮機(jī)墩溫度荷載。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由于風(fēng)罩壁內(nèi)外溫差的作用，內(nèi)壁溫度高所以產(chǎn)生壓應(yīng)力，而外壁溫度低則產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。環(huán)向最大應(yīng)力主要分布在風(fēng)罩的拐角處，豎向最大應(yīng)力主要分布在風(fēng)罩中下部外表面處。

整理不同計(jì)算工況下風(fēng)罩內(nèi)外表面應(yīng)力最大值(見表1)與風(fēng)罩頂板上下表面應(yīng)力最大值(見表2)。由表1～2可得，風(fēng)罩外表面的最大拉應(yīng)力值較大，且遠(yuǎn)超混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。在考慮機(jī)墩溫度荷載的情況下，風(fēng)罩外表面的環(huán)向和豎向最大拉應(yīng)力數(shù)值高于不考慮機(jī)墩溫度荷載時(shí)的最大拉應(yīng)力結(jié)果。風(fēng)罩頂板的環(huán)向最大拉應(yīng)力在不考慮機(jī)墩溫度荷載時(shí)較大，徑向最大拉應(yīng)力在考慮機(jī)墩溫度荷載時(shí)較大。

表1 風(fēng)罩內(nèi)外表面最大應(yīng)力值 MPa

表2 風(fēng)罩頂板上下表面最大應(yīng)力值 MPa

3.2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

對(duì)各計(jì)算工況下風(fēng)罩混凝土結(jié)構(gòu)在不同高程面所取的4個(gè)特征截面(如圖3所示)環(huán)向應(yīng)力和豎向應(yīng)力進(jìn)行積分，整理得到環(huán)向和豎向的軸力、彎矩在各高程中的最大值見表3，其中環(huán)向內(nèi)力為風(fēng)罩高度方向單寬(1 m)，豎向內(nèi)力為風(fēng)罩環(huán)向單寬(1 m)，軸力以受拉為正，彎矩以風(fēng)罩外側(cè)受拉為正。

圖3 風(fēng)罩特征斷面位置

由表中所示風(fēng)罩在各個(gè)工況的內(nèi)力值可得，機(jī)墩的溫度荷載對(duì)風(fēng)罩的內(nèi)力結(jié)果有影響，從而會(huì)影響計(jì)算的配筋結(jié)果。上下游的2號(hào)和4號(hào)斷面的環(huán)向拉力在施加機(jī)墩溫度荷載時(shí)結(jié)果遠(yuǎn)大于不施加時(shí)結(jié)果；4個(gè)斷面的環(huán)向和豎向彎矩均在考慮機(jī)墩溫度荷載時(shí)更大。由于在施加機(jī)墩溫度荷載后，風(fēng)罩外表面最大拉應(yīng)力變化較大，導(dǎo)致截面的彎矩增大。

表3 風(fēng)罩特征截面最大內(nèi)力值

4 結(jié) 語

水電站地下廠房的風(fēng)罩結(jié)構(gòu)計(jì)算中，溫度作用對(duì)風(fēng)罩的內(nèi)力和配筋影響很大。在廠房的整體有限元模型計(jì)算中，機(jī)墩的溫度荷載會(huì)影響風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和內(nèi)力，在考慮機(jī)墩溫度荷載時(shí)風(fēng)罩的最大應(yīng)力大于不考慮機(jī)墩溫度荷載時(shí)的結(jié)果，同時(shí)風(fēng)罩的內(nèi)力在施加機(jī)墩溫度荷載時(shí)的結(jié)果也更大。