水电站地下厂房机墩温度荷载对风罩内力的影响分析

冉昱呈，张 蕾，侯东奇

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 610072)

0 前 言

随着水电建设水平的进步，电站的装机容量和结构尺寸不断增大，厂房结构计算愈加复杂。风罩是水电站厂房中的重要结构之一，承担发电机层、电气夹层和上机架基础传来的荷载和温度荷载，其中内壁温度和外壁温度之差对内力结果影响较大。本文基于ANYS软件建立水电站厂房机组段模型，分析各方案下风罩结构受力情况，探寻机墩温度荷载对风罩内力的影响。

1 工程概况

某工程厂房为地下厂房，风罩高度7.0 m，高程为2 601.00～2 608.00 m，横向19.1 m，纵向17.8 m，上游墙方向厚度1.8 m，其余方向厚度均为0.8 m。风罩顶部厚板厚1.5 m，外部尺寸与风罩相同，内径15.4 m，其上布置有10个上机架基础板。本计算以厂房其中某机组段为对象，沿厂房纵轴线方向取长30.58 m，宽25.0 m，高从2 566.70 m至发电机层楼面高程2 608.00 m。

在计算范围内，对水轮机钢锅壳、座环外围混凝土、机墩风罩混凝土均按实际尺寸进行模拟。模型上下游与围岩连接的边界节点加法向弹性链杆模拟围岩的约束作用，弹性链杆的刚度与围岩的单位抗力系数成正比；机组段之间设有永久分缝，因此模型两侧混凝土边界按自由面考虑。计算模型中围岩各边界施加法向约束，底部施加全约束。

机墩风罩混凝土、座环、立柱和板梁采用八结点三自由度六面体单元，个别区域采用三自由度四面体单元过渡。模型总单元数250 311。机墩风罩模型、整体模型网格示意分别见图1～2。

图1 机墩风罩网格 图2 整体模型网格

2 计算荷载和工况

2.1 计算荷载

结构自重。考虑模型所有混凝土与金属的自重。

楼面荷载。根据机电专业所提供厂房各层楼板荷载资料单，发电机层楼面均布活荷载为6 t/m2，电气夹层楼面均布活荷载为4 t/m2，水轮机层楼面均布活荷载为6 t/m2。

内水压力。蜗壳最大内水压力为3.40 MPa(包括水锤压力)，蜗壳正常运行内水压力为2.63 MPa，其中充水保压值为1.7 MPa。

发电机组荷载。单个基础板荷载为①定子基础：竖直方向正常运行工况为727 kN，飞逸工况为706 kN，径向正常运行工况为30 kN，飞逸工况为357 kN，切向正常运行工况为429 kN，飞逸工况为15 kN。②下机架基础：竖直方向正常运行工况和飞逸工况均为1 770 kN，径向正常运行工况为139 kN，飞逸工况为0。③上机架基础：径向正常运行工况为159 kN，飞逸工况为253 kN，切向正常运行工况为96 kN，飞逸工况为42 kN。

温度荷载。风罩内壁温度为35 ℃，风罩外壁温度为15 ℃，计算参考温度为20 ℃。

2.2 计算工况

根据不同的荷载资料以及机墩温度荷载施加情况，工况组合如下——

工况1：正常运行工况，不考虑机墩温度荷载；

工况2：机组飞逸工况，不考虑机墩温度荷载；

工况3：正常运行工况，考虑机墩温度荷载；

工况4：机组飞逸工况，考虑机墩温度荷载。

3 计算结果及分析

3.1 应力计算结果

由于风罩壁内外温差的作用，内壁温度高所以产生压应力，而外壁温度低则产生较大的拉应力。环向最大应力主要分布在风罩的拐角处，竖向最大应力主要分布在风罩中下部外表面处。

整理不同计算工况下风罩内外表面应力最大值(见表1)与风罩顶板上下表面应力最大值(见表2)。由表1～2可得，风罩外表面的最大拉应力值较大，且远超混凝土抗拉强度设计值。在考虑机墩温度荷载的情况下，风罩外表面的环向和竖向最大拉应力数值高于不考虑机墩温度荷载时的最大拉应力结果。风罩顶板的环向最大拉应力在不考虑机墩温度荷载时较大，径向最大拉应力在考虑机墩温度荷载时较大。

表1 风罩内外表面最大应力值 MPa

表2 风罩顶板上下表面最大应力值 MPa

3.2 内力计算结果

对各计算工况下风罩混凝土结构在不同高程面所取的4个特征截面(如图3所示)环向应力和竖向应力进行积分，整理得到环向和竖向的轴力、弯矩在各高程中的最大值见表3，其中环向内力为风罩高度方向单宽(1 m)，竖向内力为风罩环向单宽(1 m)，轴力以受拉为正，弯矩以风罩外侧受拉为正。

图3 风罩特征断面位置

由表中所示风罩在各个工况的内力值可得，机墩的温度荷载对风罩的内力结果有影响，从而会影响计算的配筋结果。上下游的2号和4号断面的环向拉力在施加机墩温度荷载时结果远大于不施加时结果；4个断面的环向和竖向弯矩均在考虑机墩温度荷载时更大。由于在施加机墩温度荷载后，风罩外表面最大拉应力变化较大，导致截面的弯矩增大。

表3 风罩特征截面最大内力值

4 结 语

水电站地下厂房的风罩结构计算中，温度作用对风罩的内力和配筋影响很大。在厂房的整体有限元模型计算中，机墩的温度荷载会影响风罩结构的应力和内力，在考虑机墩温度荷载时风罩的最大应力大于不考虑机墩温度荷载时的结果，同时风罩的内力在施加机墩温度荷载时的结果也更大。