水电站蜗壳垫层结构研究

2003年06月 SHUILI XUEBAO 第6期 文章编号：0559-9350（2003）06-0085-05

水电站蜗壳垫层结构研究

付洪霞1，马震岳1，董毓新1

(1.大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116024)

摘要：应用三维非线性有限元研究了水电站蜗壳垫层的弹性模量、厚度和铺设范围对承载比的影响。为减轻钢蜗壳在上蝶边处的应力集中，提出在蝶形边附近一定范围内不设垫层。如果垫层铺到180°，则恰好该处外包混凝土较薄，易产生混凝土贯穿裂缝，若将垫层下延20°～30°，则该处外包混凝土变厚，可改善垫层末端混凝土受力状态。建议将垫层的厚度与弹模之比作为垫层设计的一个参考指标，并给出厚度与弹模的优化比值，可适用于一定PD值范围的蜗壳，供工程设计参考。

关键词：蜗壳；垫层；弹性模量；承载比 中图分类号：TV732.4 文献标识码：A

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。但在工程应用和计算分析中还存在如下问题：（1）以往的有

限元计算[2]

一般仅取控制断面附近局部范围的蜗壳结构进行分析，

而实际上沿蜗壳环向存在着较大的应力，整体受力状况明显，因此对蜗壳结构进行整体分析更能反映工程的实际情况；（2）垫层材料的试验[3]

表明，

垫层为非线性材料，而近似地将其简化为线弹性模型显然与实际不符[4]

；（3）垫层的选取由于受到弹性模量、厚度、铺设范围的综合影响，设计中没有一种定量的标准来衡量。本文利用ANSYS结构分析程序对水电站蜗壳进行整体三维非线性有限元分析，探讨了垫层弹性模量、厚度及铺设范围对承载比的影响，并提出以厚度与弹模比作为参数指标，为工程设计优化提供参考。

1 非线性分析方法

采用ANSYS有限元程序，其基本假定为：①在高斯积分点处，裂缝允许在3个正交方向产生；②混凝土假定为各向同性材料；③混凝土考虑塑性开裂。其中混凝土采用应变强化塑性模型，钢筋采用分布模型，混凝士裂缝利用分布裂缝模型来模拟。采用Drucker Prager强度准则研究多轴应力状态下的混凝土强度问题，其表达式为

0≥−S f F

c

（1）

式中：F为主应力σxp 、σyp 、σzp 的函数；S为主应力状态和混凝土强度所表达的混凝土破坏曲面；f c 为混凝土单轴抗压强度。当混凝土应力超出抗拉强度时，混凝土开裂，应力由钢筋承担。

收稿日期：2002-05-09

作者简介：付洪霞(1976-)，女，山东招远人，博士研究生，主要研究方向：水电站建筑物结构分析。

2003年06月 SHUILI XUEBAO 第6期

2 计算条件

以某水电站蜗壳结构为例进行研究。蜗壳入口断面直径4.2m，钢板厚度32mm，末端处厚度20mm，弹

性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，比重ρ=78kN/m 3。外围混凝土弹性模量E=2.55×104

MPa，泊松比μ

=0.167，比重ρ=25kN/m 3

。作用荷载包括：结构自重、

机墩及以上结构和设备重量、蜗壳内水压力1.17MPa。取整体蜗壳为研究对象，考虑混凝土和垫层的非线性特性，外围钢筋混凝土采用钢筋混凝土单元。

3 计算结果

3.1 垫层弹模对承载比的影响 为了比较不同弹性模量的垫层材料对承载比的影响，取垫层厚度5cm，钢蜗壳上半圆与外包混凝土之间铺设垫层，即包角180°。以蜗壳进口断面为例，分别计算垫层弹模E=2MPa、4MPa、6MPa、8MPa、10MPa、15MPa、22MPa、30MPa时断面顶部钢衬、内层钢筋及外围混凝士的环向应力 及承载比，结果见表1及图1所示。

表1 不同垫层弹模下蜗壳各部分材料的环向应力及承载比

钢衬

内层钢筋

混凝土 垫层弹模/MPa

环向应力/MPa

承载比(%) 环向应力/MPa

承载比(%) 承载比(%) 2 4 6 8 10 15 22 30

68.4 64.9 62.0 59.6 57.3 52.7 47.8 43.8

78.4 74.4 71.1 68.3 65.7 60.4 54.8 50.2

7.8 8.2 8.5 8.9 9.2 9.8 10.4 11.1

8.9 9.4 9.8 10.2 10.5 11.3 12.0 12.8

12.7 16.2 19.1 21.5 23.8 28.3 33.2 37.0

随着垫层弹性模量的减小，蜗壳外围钢筋混凝土的承载比也逐渐减少，亦即传到外围钢筋混凝土中的内水压力逐渐减少，钢衬所承担的比例逐渐增大。垫层弹模由30MPa减少到2MPa过程中，钢衬和混凝土的承载比变化比较明显，钢衬提高28.2%，混凝土降低24.3%，而内层钢筋则变化很小仅为3.9%。这说明垫层弹模的改变对钢衬和混凝土的承载比影响很大，随着垫层弹模降低而使混凝土所承担的内水压力部分转移，并主要由钢衬来承担。故采用较小的垫层弹模可以提高钢材利用率，节约钢筋，改善外围混凝土受力状况。

3.2 垫层厚度对承载比的影响 为了比较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2MPa，

钢蜗壳上半圆与外包混凝土之间铺设垫层，即包角180°。以蜗壳进口断面为例，分别计算垫层厚度d=3cm、

表2 不同垫层厚度下蜗壳各部分材料的环向应力及承载比

钢衬

内层钢筋

混凝土 垫层厚度/cm

环向应力/MPa

承载比(%) 环向应力/MPa

承载比(%) 承载比(%) 3 4 5 67.0 67.8 68.4

76.7 77.6 78.4

8.3 8.1 7.8

9.5 9.3 8.9

13.8 13.1

12.7