大型水电站地下厂房下部结构研究

摘要

随着我国水利事业的蓬勃发展,水电站发电机单机容量不断刷新记录,导致各种水工建筑物的规模不断扩大,其安全问题更加令人关注.水电站厂房,尤其是地下厂房,其下部结构置于自然环境中,长期经受着持续变化的气温、日辐射及水温的影响,有可能导致结构内部应力发生显著变化,造成结构内部产生裂缝,影响结构的整体性和耐久性.不断扩大的水电站厂房下部结构尺寸使得本来就复杂的厂房下部结构振动问题更加显得突出. 本文结合构皮滩水电站地下厂房下部结构,运用大型有限元分析软件ANSYS,首先研究了垫层的弹性模量和包角对蜗壳外围混凝土受力状态和变形的影响；接着,引入willam-Warnke五参数破坏准则,对厂房下部结构三个典型剖面进行平面非线性分析；此外,还计算了厂房下部结构在最大温降、最大温升和多年平均温度时的温度场以及温度应力,在此基础上确定温度变化对结构配筋的影响.最后,研究分析了各种主要因素对厂房下部结构自振特性的影响,同时对引起机组振动的机械、水力和电气等18种复杂因素进行系统阐述和分析,在此基础上按照相应的标准作出共振校核,得出如下主要结论: (1)随着蜗壳上部垫层包角的增大,由内水压力传递到蜗壳外围混凝土的径向压力在减小.随着蜗壳上部垫层弹性模量的增加,蜗壳外围混凝土的承载比也在增加,钢衬承载比在下降. (2)三个典型剖面都是在靠近蜗壳的底部和左上角,混凝土中出现了较多的细小裂缝,但蜗壳底部的裂缝更为密集而且更长；越是靠近蜗壳进口的剖面,其开裂程度越严重: (3)温度应力是一项不小的荷载,在进行水电站厂房下部结构的设计中不能忽略；在进行厂房下部结构配筋时应以最大温降为控制工况. (4)蜗壳、垫层、座环对水电站厂房下部结构自振特性影响较小；在作水电站厂房下部结构抗振设计时,可以利用增加结构约束的办法,提高抗振强度. (5)共振校核和以往实际工程实测振源分析结果表明,引起构皮滩水电站厂房下部结构振动的主要振源是尾水涡带频率,其次是转频及其倍频,同时厂房下部结构从基频到高阶自振频率也可能与蜗壳不均匀流场引起的激振力发生共振.可以从尾水管、水轮发电机和蜗壳流道的设计、制造和安装等方面,以及改善机组运行工况的角度来加以解决.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2构皮滩水电站工程概况

1.3水电站厂房下部结构相关研究状况

1.3.1水电站蜗壳结构的研究进展

1.3.2水电站下部结构中裂缝和温度荷载的研究进展

1.3.3水电站厂房下部结构振动研究进展

1.4本文主要的研究内容

第二章结构有限元分析方法

2.1有限元的基本过程

2.2钢筋混凝土非线性分析基本理论

2.2.1非线性分析基本类型

2.2.2钢筋混凝土结构有限元模型的选择

2.2.3材料的本构模型

2.2.4 Willam和Warnke的五参数破坏模型

第三章水电站地下厂房垫层蜗壳结构静力研究

3.1构皮滩水电站基本参数

3.1.1材料参数

3.1.2水库上下游特征水位

3.1.3水轮机机主要参数表

3.1.4发电机主要参数表

3.2垫层包角和弹模对蜗壳外围混凝土应力及位移的影响

3.2.1数值模型的建立

3.2.2坐标系的确定及有限元网格的划分

3.2.3计算工况及荷载组合

3.2.4边界条件

3.2.5计算结果分析

3.3水电站厂房下部结构平面非线性分析

3.3.1计算模型确定

3.3.2平面问题力学模型的外荷载处理

3.3.3计算结果及分析

3.4本章小结

第四章温度变化对水电站厂房下部结构的影响

4.1混凝土温度场以及温度应力计算基本理论

4.1.1热传导方程

4.1.2初始条件和边界条件

4.2影响混凝土温度场的因素

4.2.1气温

4.2.2库水温度

4.3混凝土温度应力的发展过程

4.4温度变化对水电站地下厂房下部结构受力及变形的影响

4.4.1气候条件

4.4.2计算模型与计算工况的确定

4.4.3温度边界条件

4.4.4有限元计算

4.4.5计算成果及其分析

4.5温度变化对水电站地下厂房下部结构配筋的影响

4.5.1配筋原则

4.5.2配筋计算与分析

4.6本章小结

第五章水电站厂房下部结构自振特性分析及振动评价

5.1基本理论

5.1.1模态分析理论模型

5.1.2振型叠加法

5.2水电站厂房下部结构自振特性影响因素研究

5.2.1计算模型的确定

5.2.2自振特性计算结果及分析

5.3厂房下部结构振源机理分析及其共振校核

5.3.1振源机理分析

5.3.2共振校核

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢