水轮机钢蜗壳及引水钢管垫层施工法受力解析

摘要

随着我国经济的高速发展，在能源需求急剧增长的同时人们的环境保护意识也逐渐增强，而水力发电作为一种可再生的洁净能源越来越得到重视，已经成为我国电力工业的一大支柱。而近年来水电机组的装机容量和引用水头的大幅提高对钢蜗壳和压力钢管的结构又提出了新的要求，其直径越来越大，所以如何改善压力钢管和钢蜗壳周围混凝土的应力状态，提高其抗裂性能成为研究的重点。
　　 目前对蜗壳和压力钢管的施工方法主要有三种，分别为完全联合承载法、充水预压法以及垫层法，但第一种方法外围混凝土的受力较大，第二种方法造价较高，所以目前应用最广泛的是垫层法。对于垫层法的研究主要有两种方法，一种是数值模拟方法，在这一方面已经有很多人做出了研究，但是对数值结果的可靠性没有综合的评价标准；另一种就是解析法，就是应用材料力学、结构力学以及变形相容原理，再加上一些假定条件，推导出了能够计算垫层法施工条件下钢管和蜗壳的应力应变的解析公式，从而得出垫层钢管及蜗壳的应力应变状态与垫层参数选取的关系。本篇论文采用第三种方法的思路推导出了一套完整的解析计算公式，可以计算在设置任意垫层弹模和垫层厚度的情况下蜗壳和钢管各个位置的位移、应力等变量；在不同的垫层厚度下计算不同范围的包角，观察其关键部位的应力及位移的变化规律，观察内水压力传递比；研究在相同的条件下垫层包角的变化对外包混凝土中应力位移的影响，确定最佳的包角范围。
　　 最后，运用ABAQUS有限元软件，建立模型进行数值模拟，将边界条件和计算参数一致的数值模拟结果与解析解的结果进行比较，通过对比观察两者的变化规律是否一致，大小是否在合理的范围之内，以此来检验解析计算结果的规律性，从而确定解析公式是否具有实用性，为具体水电站工程设计和研究提供根据。