水电站混凝土蜗壳结构不同计算方法对比分析

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(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司成都分院，成都，610091)

水电站混凝土蜗壳结构不同计算方法对比分析

严成斌，雷声军，金健，陈小东

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司成都分院，成都，610091)

结合某河床式水电站工程实际计算结果，对钢筋混凝土蜗壳计算常用的平面┌型框架法、混合法、三维有限元法三种方法的计算结果进行对比分析，分析三种方法的优缺点及应注意的问题。

钢筋混凝土蜗壳 结构计算 计算方法 水电站

钢筋混凝土蜗壳主要应用于40m水头以下的水电站，河床式水电站通常水头低，流量大，进水口、蜗壳和尾水管的结构尺寸大，并且形状复杂，主要采用梯形断面，结构计算复杂。本文以一河床式水电站钢筋混凝土蜗壳结构计算为例，分析了混凝土蜗壳结构计算采用不同计算方法的成果，并进行对比分析，有较为有益的工程意义和借鉴价值。

1 基本情况

某水电站位于大渡河上，电站采用堤坝式开发，为河床式厂房，最大坝高86.5m，机组间距34.6m，一机一缝，主机间段长度138.40m，顺水流方向厂房总宽度94.0m，由进水口段、主机间、下游副厂房及GIS开关站、尾水闸墩等组成。主机间净宽29.0m，厂房蜗壳型式为混凝土蜗壳，蜗壳进口处流道高度达14.3m。

图1 蜗壳平面

2 三种计算方法和模型

2.1 第一种：平面┌型框架法

平面┌型框架法，此法沿蜗壳径向切取几个平面框架，框架横梁一端与水轮机坐环铰接，另端与蜗壳侧墙刚接成┌型框架，侧墙固定于蜗壳底板或尾水管顶板上。

图2 平面┌型框架法计算模型

2.2 第二种：混合法

此法是将蜗壳分成几部分，各部分按其支撑条件和荷载条件分别采用不同的计算方法，即顶板近似采用弹性力学环形板计算；将左边墙简化为下端固端，上下游、上端简支的双向板进行计算；右边墙为竖向梁上下固端，水平梁上游门槽处采用铰支座，下游固端，采用交叉梁法进行计算。

图3 混合法顶板计算简图

图4 混合法左边墙计算简图

图5 混合法右边墙计算简图

2.3 第三种：三维有限元法

计算选择一个机组段厂房结构建模，上下游侧各取120.00m，基岩深度取130.00m，沿厂房纵轴线方向与厂房同宽，为34.60m。在计算范围内，对厂房(坝体)上、下游排架柱、风罩、机墩、楼板、梁等均按实际尺寸进行模拟。整个计算模型共分成121965个结点，118589个单元。

图6 三维有限元整体计算网格图

3 内力计算成果分析

3.1 内力计算成果

三种计算方法主要是模型简化不同，内力计算成果见表1～表5。

表1 0°断面平面┌型框架法内力计算结果统计

表2 0°断面混合法顶板内力计算结果统计

表3 0°断面混合法左边墙内力计算结果统计

表4 180°断面混合法右边墙内力计算结果统计

表5 三维有限元法内力计算结果统计(MPa)

3.2 计算成果分析

蜗壳结构中，0°断面的边墙是所有蜗壳断面中最薄的，而且顶板跨度是最大的，都是结构最薄弱部分，作为主要对比结构，从计算结果来看：

(1)平面┌型框架法计算的顶板最大内力为弯矩5729kN·m，剪力2195kN。边墙底内力为弯矩11764kN·m，剪力4397kN；

(2)混合法计算的顶板最大内力为弯矩3396kN·m，剪力1952kN；边墙底内力为弯矩9130kN·m，剪力3933kN；

(3)三维有限元法计算的顶板最大拉应力2.77MPa；边墙最大拉应力为2.5MPa。

根据内力计算成果，配筋成果见表6、表7。

4 三种计算方法分析

(1)经计算分析，有限元计算考虑整体结构，计算结果配筋较小，平面┌型框架法计算结果较大；

(2)有限元计算能较直接反映整体结构各个断面受力情况，直观性强，平面┌型框架法和混合法只能反映所计算断面的受力情况，具有较大的局限性；

(3)有限元计算考虑整体结构的受力，由于混凝土蜗壳运行工况复杂，还需要采用平面┌型框架法和混合法计算复核。

表6 配筋情况

表7 实配配筋情况

5 结论

钢筋混凝土蜗壳结构复杂，平面┌型框架法和混合法都对结构进行了简化，不能很好地反映混凝土结构的整体受力情况，对一些局部应力集中的部位容易忽略，计算结果偏大。大型混凝土蜗壳需进行三维有限元分析，计算结果能较全面反映结构整体受力情况。

〔1〕石长征.河床式水电站混凝土蜗壳抗裂和限裂研究[J].水力发电学报，2015，34(6)：154-459.

〔2〕黄克戬.水电站厂房钢筋混凝土蜗壳结构分析第八届全国水电站压力管道学术会议论文集.

TV314∶TV222.2

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2095-1809(2017)05-0100-03

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