惠州抽水蓄能電站高壓鋼筋混凝土平底岔管三維有限元分析

岔管是輸水道最重要的工程部位，運(yùn)行期間結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，為保證岔管混凝土的施工質(zhì)量，施工中采用了一系列綜合措施。如繼廣州抽水蓄能電站采用無鋼襯高壓鋼筋混凝土岔管技術(shù)后，國內(nèi)在天荒坪蓄能電站再次應(yīng)用該技術(shù)并獲得成功。天荒坪電站岔管承受的最大靜水頭為６８０ｍ，并在國內(nèi)首次采用９．０ｍｐａ高壓進(jìn)行固結(jié)灌漿。總之，該岔管的設(shè)計(jì)和施工都是成功的。

在靜力計(jì)算的基礎(chǔ)上,取正常蓄水位靜力e-b模型計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)作為動(dòng)力計(jì)算的初始應(yīng)力狀態(tài),對(duì)天池抽水蓄能水電站混凝土面板堆石壩進(jìn)行了三維動(dòng)力反應(yīng)與永久變形分析。

在總結(jié)國內(nèi)外模型模擬經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),針對(duì)天池抽水蓄能電站壩址特點(diǎn),構(gòu)建不同靜動(dòng)力三維有限元分析方法,并給出計(jì)算流程,以期為工程的順利實(shí)施提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

采用通用的有限元計(jì)算軟件,對(duì)黃魚塘水電站對(duì)稱y形鋼筋混凝土岔管進(jìn)行了三維有限元分析。給出了岔管在施工和運(yùn)行過程中各種工況下的應(yīng)力和位移分布規(guī)律,為對(duì)稱y形鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供了一定的參考依據(jù)。

結(jié)合烏龍山抽水蓄能電站尾水岔管結(jié)構(gòu)工程實(shí)例,以abaqus大型軟件為平臺(tái),提出了圍巖彈塑性模型以及混凝土損傷塑性本構(gòu)模型,通過三維有限元線性和非線性計(jì)算,分析研究了在施工、內(nèi)壓、外壓等工況下圍巖、襯砌、鋼筋的應(yīng)力與變形,建議將錨桿在圍巖外面預(yù)留一定長度,并將其與襯砌內(nèi)的鋼筋焊接在一起。

以我國某大型抽水蓄能電站工程為實(shí)例,利用大型通用有限元軟件abaqus對(duì)該電站尾水鋼筋混凝土岔管洞段圍巖及襯砌的變形和應(yīng)力狀況進(jìn)行三維有限元分析,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)襯砌進(jìn)行了配筋計(jì)算,提出了在實(shí)際工作中應(yīng)做好圍巖的固結(jié)灌漿、襯砌和錨固的建議.

本文用三維非線性有限元法,對(duì)長甸電站地下鋼筋混凝土岔管在內(nèi)水和外水壓力作用下圍巖、襯砌混凝土的應(yīng)力和變形進(jìn)行了分析,并通過對(duì)圍巖側(cè)壓力系數(shù)、變形模量、摩擦系數(shù)及凝聚力等影響岔管和圍巖應(yīng)力分布諸因素的敏感性分析,得出一些有關(guān)鋼筋混凝土岔管的結(jié)論。

文章應(yīng)用大型通用有限元軟件ansys,對(duì)某水電站鋼筋混凝土岔管在施工期、運(yùn)行期和檢修期工況下進(jìn)行了三維有限元計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,并根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,推薦岔管結(jié)構(gòu)配筋方案。

采用三維有限元法,對(duì)惠州抽水蓄能電站上游調(diào)壓井與圍巖之間的聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析。計(jì)算考慮了內(nèi)水壓力、外水壓力、圍巖壓力及灌漿殘余應(yīng)力作用,并模擬在外壓作用下圍巖與混凝土外表面的不完全邊結(jié)作用。

(1)首先建立有限元模型，這里我們選用ansys軟件自帶的專門針對(duì)混凝土的單元類型 solid65，進(jìn)入ansys主菜單preprocessor->elementtype->add/edit/delete，選擇添加 solid65號(hào)混凝土單元。 (2)點(diǎn)擊elementtypes窗口中的options，設(shè)定stressrelaxaftercracking為include，即 考慮混凝土開裂后的應(yīng)力軟化行為，這樣在很多時(shí)候都可以提高計(jì)算的收斂效率。 (3)下面我們要通過實(shí)參數(shù)來設(shè)置solid65單元中的配筋情況。進(jìn)入ansys主菜單 preprocessor->realconstants->add/edit/delete，添加實(shí)參數(shù)類型1與solid65單元相關(guān)， 輸入鋼筋的材料屬性為2號(hào)材料，但不輸入鋼筋

惠州抽水蓄能電站a廠上游水道最大靜水頭627m,采用透水襯砌理論設(shè)計(jì)。第一次充水試驗(yàn)時(shí),最大滲水量為827m3/h,滲水處理后減少為約80m3/h。目前a廠上游水道安全運(yùn)行已6年,水道結(jié)構(gòu)安全、圍巖滲透穩(wěn)定。簡要分析和介紹了a廠上游水道設(shè)計(jì)、滲水原因和滲水處理措施,并結(jié)合滲水處理情況對(duì)抽水蓄能電站鋼筋混凝土高壓管道防滲處理進(jìn)行了初步的探討。

廣州抽水蓄能電站（下稱廣蓄電站）二期工程高壓鋼筋混凝土岔管采用平底岔管的型式，以利放空排水。平底岔管的內(nèi)體型比已建成的廣蓄電站一期工程的非平底，對(duì)稱于洞軸線時(shí)，卜型岔管更加復(fù)雜。根據(jù)廣蓄電站一期工程高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，用邊界單元法對(duì)廣蓄電站二期工程高壓平底岔管進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析，其成果是廣蓄電站二期工程高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)計(jì)的依據(jù)。經(jīng)過充水放空后對(duì)廣蓄電站二期工程高壓平底岔管的檢查，證明其設(shè)計(jì)合理、可靠的。

根據(jù)地下高壓鋼筋混凝土岔管受內(nèi)水壓力襯砌開裂后的滲流場(chǎng)變化特征,提出了高壓管道內(nèi)水外滲的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的三維有限元數(shù)值分析方法。根據(jù)地下高壓鋼筋混凝土岔管襯砌開裂破壞規(guī)律,給出了高壓管道受內(nèi)水壓開裂的裂縫寬度估計(jì)公式和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算方法。通過對(duì)實(shí)際工程的分析計(jì)算,論證了高壓管道內(nèi)水外滲的襯砌結(jié)構(gòu)配筋的影響,為地下高壓管道的設(shè)計(jì)提供了一種有效的分析方法。

基于有限元數(shù)值分析,建立岔管三維有限元模型,能夠反映岔管在高內(nèi)水壓力作用下的整體應(yīng)力及局部應(yīng)力狀態(tài),能較為精確完整地反映鋼岔管運(yùn)行期的實(shí)際受力情況.以新疆某水電站高壓鋼岔管為例,采用autodesk軟件建立模型導(dǎo)入有限元軟件,修改后生成幾何模型及有限元模型,采用殼單元進(jìn)行模擬計(jì)算,取得了較為合理的成果,對(duì)于同類鋼岔管的建模及計(jì)算有一定的參考意義.

廣州抽水蓄能電站（下稱廣蓄電站）二期工程高壓鋼筋混凝土岔管采用平底岔管的型式，以利放空排水。平底岔管的內(nèi)體型比已建成的廣蓄電站一期工程的非平底、對(duì)稱于洞軸線的卜型岔管更加復(fù)雜。根據(jù)廣蓄電站一期工程高壓鋼筋混凝土岔管設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，用邊界元法對(duì)廣蓄電站二期工程高壓平底岔管進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析，其成果是廣蓄電站二期工程高壓鋼筋混凝土平底岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

在惠州抽水蓄能電站充排水過程中,對(duì)高壓岔管附近鋼筋應(yīng)力進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。實(shí)測(cè)應(yīng)力性態(tài)分析表明,鋼筋應(yīng)力變化與充排水期間水位變化相關(guān)性較大,其應(yīng)力分布及變化在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi),符合一般規(guī)律,實(shí)測(cè)應(yīng)力性態(tài)正常。

采用ansys有限元非線性仿真技術(shù),對(duì)某抽水蓄能電站保壓蝸殼及外圍混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算分析,確定蝸殼外圍環(huán)向和水流向配筋方案,計(jì)算配筋混凝土裂縫開展寬度及開裂部位鋼筋應(yīng)力。結(jié)果表明,蝸殼鋼襯應(yīng)力水平達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度的45%～50%,蝸殼進(jìn)口至下游墻側(cè)蝸殼外圍混凝土頂部及底部開裂明顯,其他部位開裂不明顯,蝸殼整體剛度滿足規(guī)范規(guī)定。

采用三維有限元方法,應(yīng)用自編的彈簧單元加載程序和ansys軟件,考慮鋼岔管與圍巖間的縫隙值,按岔管與圍巖聯(lián)合承載,對(duì)某水電站的埋藏式月牙肋鋼岔管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算,分析了鋼襯、混凝土襯砌與圍巖聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)特性,探討了圍巖性能和初始縫隙值的敏感性。結(jié)果表明,鋼岔管與圍巖聯(lián)合承載時(shí)鋼襯及肋板應(yīng)力變化梯度趨于平緩,圍巖約束鋼襯的位移使其分布趨于均勻,采用彈簧單元模擬回填混凝土和圍巖有效、可行。

分析過程 （1）首先建立有限元模型，這里我們選用ansys軟件自帶的專門針對(duì)混凝土的單元類型 solid65，進(jìn)入ansys主菜單preprocessor->elementtype->add/edit/delete，選擇添加solid 65號(hào)混凝土單元。 (2)點(diǎn)擊elementtypes窗口中的options，設(shè)定stressrelaxaftercracking為include，即考慮 混凝土開裂后的應(yīng)力軟化行為，這樣在很多時(shí)候都可以提高計(jì)算的收斂效率。 (3)下面我們要通過實(shí)參數(shù)來設(shè)置solid65單元中的配筋情況。進(jìn)入ansys主菜單 preprocessor->realconstants->add/edit/delete，添加實(shí)參數(shù)類型1與solid65單元相關(guān)，輸 入鋼筋的材料屬性為2號(hào)材料，但不

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惠州抽水蓄能電站工程簡介

第37卷增刊1大　連　理　工　大　學(xué)　學(xué)　報(bào)vo1.37,suppl.1 1997年8月journalofdalianuniversityoftechnologyaug.1997 鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的斷裂有限元分析 　　王振波　徐道遠(yuǎn)蔣　桐　楊春河 (河海大學(xué)土木工程學(xué)院　南京　210098)　　　　　(南京建筑工程學(xué)院基礎(chǔ)部) 摘要　將混凝土線彈性斷裂力學(xué)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),對(duì)五種不同含鋼率 的鋼筋混凝土梁的裂縫擴(kuò)展問題,分別進(jìn)行了以應(yīng)力為判據(jù)的鋼筋混凝土 非線性有限元計(jì)算和以應(yīng)力強(qiáng)度因子為判據(jù)的斷裂有限元計(jì)算,同時(shí)對(duì)兩 組不同配筋率的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究.其結(jié)果表明,配筋率對(duì)裂 縫的擴(kuò)展有很大影響;用有限元法分析具有較低配筋率的鋼筋混凝土構(gòu)件 時(shí),