西龙池抽水蓄能电站蜗壳结构三维有限元分析

摘要

近年来，随着常规机组和抽水蓄能机组趋向于大容量化、高水头化，充水保压蜗壳结构型式在我国的应用也越来越多，这种钢衬与外围钢筋混凝土组合结构是一种复合材料结构，一个非对称形状特殊的结构，不仅承受具有一定变幅的静水压力和动水压力，还要承受水轮发电机组等固定设备的重量和检修时存在的活荷载，对于这样一个结构形式和受力都比较复杂的结构，如何进行计算分析，尤其是进行三维非线性计算分析，仍是尚未解决好的问题。西龙池抽水蓄能电站机组最大动水头达1015m，蜗壳结构在如此高的水头下工作，它的受力特性是工程人员很关心的。本文利用ANSYS有限元分析程序，对西龙池抽水蓄能电站蜗壳结构进行了三维线弹性和非线性全过程计算分析。 在线弹性计算中，着重分析了不同保压水头下钢蜗壳及外围混凝土中的应力分布规律，研究表明，蜗壳外围混凝土中蜗壳断面的环向拉应力是控制应力，充水保压值的大小对蜗壳外围混凝土的应力状态具有重要影响；在综合考虑蜗壳结构的受力特性和工作特点的基础上，提出本工程的合理保压水头；最后根据线弹性计算结果给出外围混凝土配筋方案。 在非线性计算中，通过合理模拟钢蜗壳、钢筋和混凝土以及它们之间的连接，建立蜗壳结构整体非线性有限元模型；利用该模型对西龙池抽水蓄能电站蜗壳结构进行非线性全过程分析，研究了钢蜗壳外围混凝土的开裂过程、裂缝分布范围以及开裂后钢蜗壳、钢筋的应力状态，取得了良好的预测效果。其结论既对研究蜗壳结构破坏机理具有参考价值，又对同类工程设计具有理论指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 选题背景

1.2 水电站蜗壳结构的形式

1.2.1 垫层蜗壳

1.2.2 充水保压蜗壳

1.2.3 完全联合承载蜗壳

1.3 充水保压蜗壳结构在我国的应用与研究现状

1.3.1 充水保压蜗壳结构在我国应用现状及前景

1.3.2 充水保压蜗壳结构的设计理论与研究方法

1 4 目前存在的问题

1.5 本文的主要内容

第二章 有限元分析方法

2.1 有限元概述

2.1.1 有限元法的发展

2.1.2 有限元分析的基本步骤

2.2 有限元程序ANSYS

2.2.1 软件简介

2.2.2 软件结构功能

2.3 有限元模型建立方法

2.3.1 混凝土本构模型

2.3.2 混凝土裂缝的模拟

2.3.3 钢筋的模拟

2.3.4 钢蜗壳的模拟

2.3.5 座环的模拟

2.3.6 围岩的模拟

2.4 非线性方程组解法

第三章 蜗壳结构线弹性有限元分析

3.1 工程概况

3.2 基本计算参数

3.2.1 材料参数

3.2.2 钢蜗壳几何参数

3.2.3 荷载参数

3.3 计算模型

3.3.1 模型选取范围

3.3.2 计算边界条件

3.3.3 计算工况与荷载组合

3.3.4 坐标系

3.4 计算成果及分析

3.4.1 外围混凝土应力分布规律

3.4.2 钢蜗壳应力分布特点

3.5 合理保压水头的选取

3.5.1 合理保压水头的选取原则

3.5.2 确定保压水头要考虑的问题

3.5.3 保压水头的确定

3.6 根据应力计算结果配筋

3.7 结语

第四章 蜗壳结构的非线性有限元分析

4.1 蜗壳结构有限元分析中的非线性问题

4.2 非线性有限元模型

4.2.1 计算模型选取范围及网格剖分

4.2.2 计算边界条件

4.2.3 材料参数

4.2.4 计算工况及荷载组合

4.3 三维非线性全过程分析

4.3.1 混凝土应力状态及裂缝开展过程

4.3.2 钢筋应力状态

4.3.3 钢蜗壳应力状态

4.3.4 承载比

4.4 结语

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢