水电站厂房大体积混凝土的疲劳性能研究

摘要

改革开放以来，我国的水电行业得到了高速发展，建成和待建的水电站遍布全国各地。而作为水电站中重要的建筑物，水电站厂房结构的稳定性会对电站枢纽整体稳定运行产生重要的影响。厂房中的蜗壳、机墩等混凝土结构，体积、尺寸都比较大，在各种反复荷载的作用下，振动问题无可避免。这一类的大体积混凝土结构承受着振动荷载的持续作用，经过一定时间的累积后，结构内部将会产生相应的损伤，严重时会造成局部或部分位置的疲劳破坏。这将影响结构的正常使用，降低结构的稳定性，甚至会危及整个水电站枢纽的安全性。因此，对水电站厂房中的大体积混凝土结构的疲劳特性研究，保证水电站枢纽的长期稳定运行，是一个值得研究的课题。由于结构的所处环境、实际尺寸等的不同，水工混凝土结构的疲劳性能，和普通混凝土结构相比有所不同。而国内外，对水工混凝土疲劳破坏的相关研究较少。所以需要结合现有的普通混凝土结构的疲劳研究方法，来对机墩、蜗壳等水工结构进行疲劳分析。具体研究工作如下： （1）采用时间历程法分析了结构在外荷载作用下的振动反应。利用时间历程法得到结构关键位置的时间历程以及对应的主拉应力、等效应力，再经由雨流计数法处理，得到相应的应力幅值以及循环次数。根据已有的研究成果，选取合适的S-N曲线，再基于线性损伤累计理论得到损伤值进而推算出疲劳时间，为结构的疲劳研究提供有力依据。 （2）利用有限元法，建立厂房结构整体模型。模拟对象主要有上下游墙、楼板、机墩、风罩、蜗壳等。结合机墩结构自振频率和机组振源频率的范围，选取几种不同的计算频率，并施加机组振动荷载，利用时间历程法对机墩结构进行动力分析。结果表明，时间历程法的计算频率越大，对应结构的损伤越大，疲劳时间越短；在机组振动荷载持续作用下，机墩结构在使用期内不会出现疲劳破坏的情况。 （3）利用有限元法，建立混凝土蜗壳结构单体模型。研究混凝土蜗壳结构时，选择最大脉动压力主频，研究了在脉动压力作用下混凝土蜗壳结构的动力特性。根据时程法得到的结果，对混凝土蜗壳结构进行了疲劳研究，结果表明在脉动压力和水压力共同作用下，混凝土蜗壳结构在使用期内整体上不会发生疲劳破坏，局部位置可能会有一定的疲劳，但不影响整体结构。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文内容

2 有限元分析及疲劳相关理论

2.1 动力学分析相关理论

2.1.1 模态分析

2.1.2 时程分析

2.2 材料本构关系

2.2.1 混凝土本构关系

2.2.2 混凝土疲劳本构关系

2.2.3 钢筋本构关系

2.3 有限元模型单元选择

2.3.1 混凝土模型

2.3.2 钢筋模型

2.3.3 混凝土裂缝模型

2.4 疲劳相关理论

2.4.1 疲劳寿命影响因素

2.4.2 雨流计数法

2.4.3 疲劳性能数据的最佳直线拟合

2.4.4 S-N曲线的选取

2.4.5 Miner准则

2.5 本章小结

3 机墩结构疲劳分析

3.1 有限元模型及混凝土参数

3.1.1 有限元模型

3.1.2 混凝土参数

3.2 机组振源频率

3.2.1 转频振动频率

3.2.2 极频振动频率

3.3 机墩自振频率

3.4 静力计算

3.4.1 计算荷载

3.4.2 计算结果分析

3.5 动力计算

3.5.1 计算所选频率

3.5.2 典型结点选择

3.6 疲劳分析计算结果

3.6.1 时程及雨流计数法处理结果

3.6.2 疲劳结果

3.7 本章小结

4 蜗壳结构疲劳分析

4.1 有限元模型及计算参数

4.1.1 有限元模型

4.1.2 计算参数

4.1.3 自振频率

4.1.4 计算荷载

4.1.5 研究方法

4.2 素混凝土静力线性计算

4.2.1 计算荷载

4.2.2 计算结果分析

4.3 钢筋混凝土静力非线性计算

4.3.1 配筋方案

4.3.2 计算荷载

4.3.3 非线性参数

4.3.4 应力计算结果分析

4.3.5 裂缝分布

4.3.6 典型结点选择

4.4 钢筋混凝土动力计算

4.4.1 时程及雨流计数法处理结果

4.4.2 疲劳结果

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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