某水电站蜗壳外包混凝土结构布置选择.pdf

第 0 2期 ( 总第 3 8 1 期 ) 吉 林 水利 2 0 1 4年 0 2月 [ 文章 编号]l O O 9 — 2 8 4 6( 2 o1 4 )0 2 — 0 0 5 3 — 0 3 某水电站蜗壳外包混凝土结构布置选择 舒婧 ( 新疆水利水电勘测设计研 究院，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) [ 摘要 ]本 文从 分析 不 同蜗壳 ( 金属蜗壳 )结构形式入 手，同时对不 同蜗 壳结构形式 的分析，并通过新 疆 目前 已建最大装机的 某水 电站工程 实例 ，结合三维有 限元 的分析成果 ，说明蜗 壳外 包混凝 土结构选择考虑 的原则及 设计 方法，希望能为类似的工程结构提供 一些参 考。 【 关键词]蜗壳 ；外包混凝 土；弹性垫层 ；承载比 【 中图分类号] Ⅳ 7 4 [ 文献标识码 ]B 1 蜗 壳结构设 计主要类型 世界上主要一些国家 的蜗壳结构设计根据 蜗 壳埋入方式的不同可分为三种基本类型：①钢蜗 壳 与外包混凝 土直接接触的联 合作用埋人方 式 ． 蜗壳 内加支撑 以防蜗壳变形 ．外部用锚钩 固定于 外包混凝土中． 即空壳埋人法。②在充水加压状态 下 浇筑外包混凝土的蜗壳打压埋人法 ③蜗壳 上 半部范围加 弹性垫层 ．以减少蜗壳向外 围钢筋混 凝土结构传递内水压力，其他同①的垫层蜗壳埋 人 法 2 不 同蜗 壳结构 形式 的分析 不同的埋人方法 ．蜗壳及外包混凝土的受力 状态不 同． 设计所考虑的因素各异 ． 对机组运行 的 影响也各有利弊 ( 1 ) 联合作用埋人法分析 采用联合作用埋人方式 ．蜗壳 的受力方式类 似 于联合受力 的压力钢管 ．对高水 头机组通过合 理 的设计 ． 有可能减少蜗壳 的钢板厚度 ． 避免采用 厚板材带来不利影响．同时此种埋人方式 由于蜗 壳 与混凝土直接接触 ．可以减轻座环与蜗壳连结 处 刚度突变所造成的引力集中的影响 ．对机组的 抗震也较为有利 但此法使混凝土承担大部分 内 水压力 ． 有可能引起混凝土过分开裂 ， 对结构带来 不 利影 响 ( 2 ) 蜗壳打压埋人法分析 蜗壳打压埋人法 ．是在浇筑蜗壳二期混凝 土 之前 ． 将蜗壳充水加压 ， 在金属蜗壳因内水压力而 产生变形的前 提下 ，进行浇筑 ．并在混凝土凝固 后 ． 撤去蜗壳 中水压 ． 利用钢蜗壳与混凝土之间的 间隙调剂二者内水压力 的分担比例 在预充水压 之下 ． 压力 由蜗壳 承担 ， 预充压力之上 ， 压力 由蜗 壳及混凝土联合承担 此法使混凝土与蜗壳承担 内水压力 比例 明确 ， 在一定程度上可 以人为控制 ． 有利于蜗壳强度 的发挥 ．同时也可直接检查蜗壳 的焊接质量。不利之处在于需要加压及密封设施 ， 需要一定 的投入 ． 对工期也有影响 ( 3 ) 垫层蜗壳埋入法分析 垫层蜗壳埋人法 ．是在蜗壳与外包混凝土之 间设置垫层 ．通过垫层达到调节混凝土与蜗壳之 间荷载分配的 目的。以往的设计 ． 基于垫层的设置 使蜗壳承受全部 内水压力 ．但进一步试验和分析 计算表 明垫层并不能阻止 内水压力外传 ．垫层蜗 壳仍是一种联合受力结构 。因此弹性垫层蜗壳 的 设计应 当是在充分发挥蜗壳强度作用的前提下 ． 通过选择适宜的垫层材料的弹模 、厚度及铺设 范 围． 从而合理确定混凝土承担 的荷载 ． 同时尽可能 避免和减轻座环与蜗壳连结处刚度突变所造成的 引力集中的影响 [ 收稿 日期 ]2 0 1 3 — 1 2 — 2 6 [ 作者简 介] 舒婧( 1 9 8 7 一) ， 女 ， 新疆伊犁人 ， 本科 ， 助理工程师， 研 究方向： 水利水电工程 。 一 53— 吉林水利 某水 电站蜗壳外包混凝土结构布置选择 舒婧 2 0 1 4年 0 2月 3 工程实例 某 水 电站 总装 机 4 6 0 MW．单 机 容 量 1 1 5 MW ， 电 站保 证 出力 9 1 ． 6 MW ， 机组 最 小 运 行 水 头 为 8 6 ． 3 m．最 大 运行 水 头 为 1 3 8 ． 5 m，设 计 水 头 1 1 0 m 为新疆 目前已建总装机及单机容量最大 的 水 电站工程 钢蜗壳的设计和加工 由水轮机制造 厂负责 ．并按承受包括水机压力升高值在内的全 部内水压力设计 ． 最大值为 1 8 0 m。蜗壳平面尺寸 为 1 2 ． 6 7 ~ 1 1 ． 2 6 m． 进 口直 径 4 ． 6 m． 中心距 4 ． 6 m( 见 附图 1 ． I —I剖面) 。由于厂房 的布置为一机一 逢 ． 布置的限制使 蜗壳外包混凝 土尺寸局部较薄 ， 不宜承担较大的内水压力 ．同时也为了充分发挥 蜗壳的强度 ． 选定了垫层蜗壳的结构形式 ． 蜗壳 外 围混凝土承受部分内水压力的布置方式 附 图 1 I—I 剖 面 为 了选择适宜的垫层材料 的弹模 、厚度及铺 设范围 ． 合理确定混凝土承担 的荷载 ． 对蜗壳及外 包混凝土进行了三维有限元分析。 ( 1 ) 不 同垫层弹模对承载比的影响 ， 取垫层厚 —． 5 4— — 度 5 e m．钢蜗壳上半圆与外包混凝土之间铺设垫 层 。 即包角 1 8 0 ~ 。以蜗壳进 口断面 1断面为例 ． 分 别 计 算 垫 层 弹 模 E= 2 MP a 、 4 MP a 、 6 MP a 、 8 MP a 、 l O MP a时蜗壳结构各种材料在不同垫层弹模 下的 承 载 比 ． 见 表 1 及 图 1所示 表 1 各 种 材 料 在 不 同 垫层 弹 模 下 的 承 载 比 4 6 8 l O 无垫层 注 ： 无垫层 情况 括号中数值为外 围混凝土未开裂处 的承载比 括号外为开裂处 的承载 比 图 1 各 种 材 料 在 不 同垫 层 弹模 下 的承 载 比 曲线 图 ( 2 )不同厚度的垫层材料对蜗壳各组合结构 承载 比的影响 ． 取垫层 弹模 为 2 MP a ． 钢蜗壳上半 圆与外包 混凝 土之 间铺 设垫层 ． 即包角 1 8 0 ~ 以蜗 壳进 口断面 1断面为例 ， 分别计算垫层厚。 d ： 3 c m、 4 e m、 5 e m时蜗壳结构各种材料在不同垫层厚度时 的承载 比， 如表 2所示 表 2 蜗 壳 各 种 材 料在 不 同垫 层 厚 度 时 的 承 载 比 3 4 5 7 6 ． 7 7 7 ． 6 7 8 ． 4 8 ． 8 8 ． 6 8 ． 4 1 4 ． 5 l 3 ． 8 1 3 ． 2 ( 3 ) 不同包角的垫层对承载 比的影 响， 取垫层 弹模 E = 2 MP a ， 垫层厚度 d = 5 c m， 以蜗壳进 口断面 l 断面为例 ． 分别计算 以下各种情况： a 、 钢蜗壳上半 圆与外包混凝土之间铺设垫层 ． 2 2 6 ． 3 “ 5 4 9 3 7 0 ( “ 鲫 m 4 9 1 3 7 豫 吉林 水 利 某 水 电站蜗 壳 外包 混凝 土 结构布 置 选择 舒婧 2 0 1 4年 0 2月 即包角 1 8 0 。 b 、 钢蜗壳靠近上碟边处留出 1 0 ~ 不铺设垫层 。 另一端垫层由 1 8 0 ~ 再 向下延伸 1 0 ~ c 、钢蜗壳靠近上碟边处留出 1 0 ~ 不铺设 垫层 ． 另一端垫层由 1 8 0 ~ 再 向下延伸 2 0 ~ d 、 钢蜗壳靠近上碟边处留出 1 0 o 不铺设垫层 。 另一端垫层 由 1 8 0 ~ 再 向下延伸 3 0 o 各典型部位钢衬 、 钢筋的应力值。 蜗壳顶部混 凝土受力情况及整体混凝土的最大位移等 4 结论 1 ) 垫层弹模 由大到小变化过程 中 ． 钢 衬和混 凝土的承载比变化 比较 明显 ．计算分析中采用弹 模 由 l O Mp a减 少 到 2 Mp a ．钢 衬 承 载 比 提 高 1 2 ． 7 ％． 混凝土承载 比降低 1 1 ． 1 ％， 表 明垫层弹模的 改变对钢衬和混凝土的承载 比一影响很大 采用 小的垫层弹模可 以充 分发挥钢衬 的承受内水压力 的能力 ． 减小传至外包混凝土 的水压力 的数值 ， 减 小混凝土的应力 、 减少配筋。但弹模过小 。 初始应 变难以控制， 也难以保证设计弹模值。 ②垫层厚度 增加 。 钢衬承载 比增加 ， 混凝土承载 比降低 ， 但变 化率小。③在蜗壳靠近尚碟边处留出一定范围不 敷设垫层 ． 另一端 向下延伸一定范围 ． 对受力状态 是有利 的。四种敷设方式中， 在蜗壳靠近尚碟边处 1 0 o 范围不敷设垫层 ．另一端 由 1 8 0 ~ 向下延伸 3 0 ~ 敷设方式 ． 混凝土顶部应力值最小 ． 整体位移值也 最 小 。 综上所述 ． 考虑到本工程 的实际情况 ． 选定弹 性垫层厚度 d = 5 c m、 弹性模量 E = 2 Ma 、 包角范围为 上碟边处留出 1 0 ~ 不铺设垫层 ．垫层另一端 由 1 8 0 再向下延伸 3 0 o ． 混凝土承载 比为 2 1 ． 6 ％。 2 ) 不是所有 的工程都进行三维有限元计算分 析 ， 因此 ， 通 过本文及实例的论述 ， 同时参考 部分 书籍 、 资料 ． 选定 比较合适 的弹性垫层及其特征参 数 ． 选定 比较合适 的承载 比， 对工程的结构设计有 比较实际的意义。口 参考文献 ： 【 1 】 水 电站厂 房设 计规 范( S L 2 6 6 — 2 0 0 1 ) ． 北京 ： 中国水利 水 电 出版 杜 ． 2 0 01 ． 【 2 ] 顾鹏飞 ， 喻光远著． 水 电站厂房设计． 水利电力 出版社． [ 3 ] 董毓新 ， 李彦硕 ， 著． 水 电站建 筑物 结构分析． 大连 ： 大连理工 大学 出版 社 ． 1 9 9 5 ． [ 4 ] -4震岳 ． 孙万泉． 新疆 某发 电厂房及 蜗壳结 构三 维计算分 析． 大 连： 大连理 工大学土木水利学院． 2 0 0 2 ． A hy dr o po we r s t a t i o n c ho i c e o f t he c o nc r e t e s t r uc t ur e o f o u t s o ur c i n g s p i r a l a r r a ng e me nt S h u J i n g Ab s t r a c t ： T h i s a r t i c l e s t a r t f r o m t h e ( m e t a l s p i r a 1 )s t r u c t u r e a n a l y s i s o f d i f f e r e n t v o l u t e ， s i mu l t a n e o u s a n a l y s i s o f d i f f e r e n t f o r m s o f s p i r a l s t r u c t u r e ， a n d t a k i n g a h y d r o p o w e r p r ~e c t i n X i ~i a n g w h i c h i s t h e l a r g e s t i n s t a l l e d c a p a c i t y b u i l t a s a n e x a mp l e s ， c o mb i n e d wi t h t h e r e s u l t s o f t h e t h r e e — d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t a n aly s i s ， i t i n - d i c a t e s o u t s o u r c i n g c o n c r e t e v o l u t e s t r u c t u r e s e l e c t i o n p r i n c i p l e s a n d d e s i g n c o n s i d e r a t i o n s ， h o p i n g i t t o p r o — v i d e s o me r e f e r e n c e s for f a mi l i a r e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e s ． Ke y wo r d s ： s c r o l l ； o u t s o u r c e c o n c r e t e ； e l a s t i c c u s h i o n； b e a r i n g r a t i o 一 55—