水利工程論文-水電站蝸殼保壓澆混凝土結(jié)構(gòu)的三維仿真分析.doc

水利工程論文-水電站蝸殼保壓澆混凝土結(jié)構(gòu)的三維仿真分析摘要：三峽工程水電站廠房蝸殼采用保壓澆外圍混凝土的結(jié)構(gòu)形式。為研究鋼蝸殼與外圍混凝土交界面的接觸性態(tài)，分別對(duì)冬季和夏季澆混凝土情況進(jìn)行了模擬施工過程的三維有限元仿真計(jì)算，給出了交界面在不同季節(jié)不同水位運(yùn)行期的傳力和間隙，結(jié)果表明溫度對(duì)傳力的影響顯著。對(duì)冬季澆筑情況，研究了通過提高保壓水溫來減小高溫季節(jié)高水位運(yùn)行期的傳力；對(duì)夏季澆筑情況，研究了通過降低保壓水頭來減小蝸殼混凝土在低溫季節(jié)低水位運(yùn)行期的間隙。關(guān)鍵詞：蝸殼保壓澆混凝土溫度效應(yīng)仿真分析三維有限元法溫度變化引起的混凝土和鋼蝸殼間的不協(xié)調(diào)溫度變形會(huì)影響兩者間的相互作用，這種相互作用是隨運(yùn)行季節(jié)變化的，并與澆筑季節(jié)和保壓水溫有關(guān)，因此選擇合適的澆筑季節(jié)和保壓水溫也同樣重要。若再考慮施工過程及混凝土彈模、徐變和水泥水化熱隨時(shí)間變化的影響，兩者的相互作用實(shí)際上是十分復(fù)雜的，只有通過模擬施工過程的仿真計(jì)算才能分析清楚。然而，通常都沒有考慮溫度的影響1，模擬施工過程的仿真分析更是少見。三峽水電站蝸殼采用保壓澆混凝土的結(jié)構(gòu)形式，裝機(jī)高程57m.正常設(shè)計(jì)水位175m(考慮水擊力的影響，相應(yīng)內(nèi)水壓力為1.395MPa)，初期運(yùn)行水位135m，兩者相差較大。通過有關(guān)研究工作，設(shè)計(jì)采用的保壓水頭為70m.由于機(jī)組臺(tái)數(shù)多和工期要求，可能在不同季節(jié)都會(huì)有機(jī)組施工。一方面，由于保壓水頭較小，低溫季節(jié)澆外圍混凝土的機(jī)組在高溫季節(jié)高水位運(yùn)行時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載較大；另一方面，由于初期運(yùn)行水頭較小，高溫季節(jié)澆外圍混凝土的機(jī)組在低溫季節(jié)低水位運(yùn)行時(shí)，鋼蝸殼與混凝土將不能完全貼緊運(yùn)行。這兩方面可分別采取提高保壓水溫和降低保壓水頭的措施。為此，本文通過三維有限元仿真計(jì)算，分析冬、夏季澆筑外圍混凝土情況，在不同季節(jié)、不同水位運(yùn)行期鋼蝸殼與外圍混凝土交界面的傳力或可能存在的間隙，并研究合適的保壓水頭和保壓水溫。1計(jì)算條件1.1結(jié)構(gòu)計(jì)算模型三峽工程擋水壩為混凝土重力壩，電站廠房為壩后式。本文取一左岸岸坡壩段機(jī)組為研究對(duì)象，由于廠壩聯(lián)接段壓力鋼管用墊層管取代了伸縮節(jié)，且墊層管下游端未設(shè)止推環(huán)，大壩的變形將通過墊層管影響到鋼蝸殼的位移以及鋼蝸殼與外圍混凝土間的相互作用，因此計(jì)算模型中包括了大壩和墊層管，壩體包括鋼管壩塊及實(shí)體壩塊，兩壩塊間為永久橫縫。廠壩間分縫51m以下巖坡進(jìn)行接縫灌漿。主廠房模擬至67m，上、下游副廠房只模擬下部實(shí)體部分，見圖1、圖2.墊層管長(zhǎng)10m，其中壩內(nèi)長(zhǎng)5.8m，廠內(nèi)長(zhǎng)4.2m.廠內(nèi)段墊層管可分為2段，即一期混凝土2.2m段和三期混凝土2.0m段。鋼蝸殼進(jìn)口位于墊層管下游端的下游側(cè)1.1m處。圖1大壩及廠房立體(含部分基礎(chǔ))圖2廠房橫剖面1.2材料參數(shù)(1)鋼管、座環(huán)和固定導(dǎo)葉等鋼材：E=210GPa，=0.30，=1.210-5/,=78.0kN/m3；蝸殼鋼板厚度2064mm.(2)基巖：廠房基巖E=26GPa；大壩基巖E=1026GPa；=0.23，=0.8510-5/，導(dǎo)溫系數(shù)a=0.083m2/d.(3)大壩混凝土：E=26GPa，=0.167，=0.8510-5/,a=0.083m2/d.(4)鋼蝸殼與外圍混凝土交界面：摩擦系數(shù)f=0.5.(5)廠房混凝土：=0.167，=0.8510-5/，a=0.083m2/d,=24.5kN/m3；彈模、絕熱溫升和徐變度分別見式(1)式(3)，不計(jì)混凝土自身體積變形。E(t)=33.0t/(5.12+t)(單位：GPa)(1)Q(t)=24.2(1-e-0.837t0.849)(單位：)(2)C(t,)=C1()(1-e-0.3(t-)+C2()(1-e-0.005(t-)(單位：10-6/MPa)(3)式中：t混凝土齡期(d)；加荷齡期(d)；C1()=7.58+183.1/；C2()=12.4+35.3/。1.3主要邊界溫度曲線T(t)及表面放熱系數(shù)(1)與大氣接觸的結(jié)構(gòu)外表面T(t)=17.35+11.55sin(t-108.8)()，=15.1w/m2(4)式中：t時(shí)間(d)，以1月1日為原點(diǎn)；=2/365，下同。廠房混凝土澆筑期間，廠房左右兩側(cè)邊界也按式(4)考慮，以后按絕熱邊界考慮。(2)運(yùn)行期上、下游副廠房?jī)?nèi)表面和主廠房67m表面T(t)=22.0+8.0sin(t-120.0)(),=5.13w/m2(5)(3)運(yùn)行期引水壓力管道和蝸殼內(nèi)表面T(t)=17.53+8.5sin(t-130.0)(),=2326w/m2(6)(4)運(yùn)行期大壩上游表面。運(yùn)行期庫水位以下的大壩上游表面采用庫水水溫邊界條件，庫水溫度曲線隨高程變化。1.4施工過程廠房混凝土澆筑層厚1.53.0m，分4區(qū)，對(duì)角兩區(qū)同時(shí)澆筑，間歇期78d，15d澆一層。分別模擬了冬季和夏季澆外圍混凝土情況，施工過程見表1.廠房混凝土入倉(cāng)溫度見表2.1.5保壓水溫與保壓水頭對(duì)冬季澆筑外圍混凝土情況，在保壓水頭70m條件下，研究了保壓水溫控制措施，共計(jì)算了3種方案：(1)無保溫措施：蝸殼內(nèi)水體取當(dāng)時(shí)河水，水體初溫11.7，鋼蝸殼外表面取氣溫邊界條件(4)；(2)采取保溫措施：水體初溫16，鋼蝸殼外表面采用泡沫塑料保溫，=2.0w/m2。(3)采取加溫措施：水體溫度低于22時(shí)就加溫，計(jì)算時(shí)鋼蝸殼內(nèi)表面取恒溫22，外表面按絕熱考慮。在(1)、(2)方案中，保壓水體同樣劃分單元參加計(jì)算，水的導(dǎo)溫系數(shù)為0.01238m2/d.以上鋼蝸殼外表面邊界條件僅適用于尚未被混凝土覆蓋的區(qū)域。表1廠房施工過程施工項(xiàng)目冬季澆外圍混凝土情況(年.月)夏季澆外圍混凝土情況(年.月)一期混凝土1999.102000.41999.92000.4二期(外圍)混凝土2000.122001.22000.62000.9卸壓2001.32000.9壓力鋼管合攏2001.42000.10三期混凝土2001.52001.82000.112001.2表2廠房混凝土入倉(cāng)溫度()區(qū)域11月3月4月10月5月9月強(qiáng)約束區(qū)自然2016弱約束區(qū)自然2018脫離約束區(qū)自然2020對(duì)夏季澆筑外圍混凝土情況，蝸殼內(nèi)水體取當(dāng)時(shí)河水，水體初溫25.5，在無保溫措施情況下，計(jì)算了兩種保壓水頭方案：70m和62m.2計(jì)算方法2.1溫度場(chǎng)計(jì)算引水壓力管道合攏前，考慮到壩體混凝土已強(qiáng)迫冷卻到穩(wěn)定溫度廚行縱縫灌漿，因此先計(jì)算在邊界氣溫作用下的壩體準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行模擬廠房蝸殼保壓澆混凝土施工過程的溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，廠房混凝土按自然冷卻考慮。瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算采用在空間上用有限元離散、在時(shí)間上用向后差分的隱式差分格式2。計(jì)算采用自行開發(fā)的溫度場(chǎng)仿真計(jì)算程序3DUSTPCG.2.2應(yīng)力與變形仿真計(jì)算在獲得大壩與廠房的溫度場(chǎng)后進(jìn)行應(yīng)力與變形分析，將大壩和廠房作為整體進(jìn)行仿真計(jì)算，從廠房混凝土澆筑開始至運(yùn)行期，模擬廠房混凝土保壓澆筑過程和卸壓、運(yùn)行期加壓過程以及由此引起的鋼蝸殼與外圍混凝土間的接觸問題和水庫蓄水過程等，考慮了自重、溫度和徐變的影響。其中，采用初應(yīng)變法2，3考慮徐變的影響，接觸面單元物理方程見文獻(xiàn)4。計(jì)算采用自行開發(fā)的可同時(shí)考慮混凝土溫度徐變影響和縫面接觸問題的結(jié)構(gòu)仿真分析程序3DCRCPCG.2.3有限元方程組的快速解法計(jì)算范圍包括壩體、廠房水下結(jié)構(gòu)、鋼管和部分巖基。為適應(yīng)仿真計(jì)算的需要，廠房基本上按分層分區(qū)劃分網(wǎng)格，各澆筑層分兩層單元，整個(gè)計(jì)算模型共劃分結(jié)點(diǎn)50927個(gè)，單元45632個(gè)。應(yīng)力分析時(shí)總自由度最后將近14.5萬個(gè)，不僅計(jì)算規(guī)模大、計(jì)算時(shí)段多，而且還要進(jìn)行接觸問題非線性迭代，計(jì)算工作量相當(dāng)龐大。為此，在3DUSTPCG和3DCRCPCG程序中采用筆者提出的對(duì)稱逐步超松馳預(yù)處理共軛梯度迭代法(SSOR-PCG)的改進(jìn)迭代格式5作為求解器，與常用的大型有限元方程組的一維變帶寬存儲(chǔ)的三角形分解直接解法相比，在存儲(chǔ)量和計(jì)算工作量方面都降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，使得在微機(jī)上快速求解大型問題成為可能。方程組的規(guī)模越大，其效率更加顯著。由于計(jì)算工作量少，計(jì)算舍入誤差也小。3計(jì)算成果2003年7月水庫蓄水至135m，同年10月機(jī)組投入運(yùn)行。2009年汛后蓄水至175m，下游設(shè)計(jì)洪水位76.4m.仿真計(jì)算是從廠房混凝土澆筑開始至2020年止，幾個(gè)主要特征時(shí)刻的計(jì)算成果見表3表4.3個(gè)特征點(diǎn)A、B、C的位置見圖2.初期水位運(yùn)行期的計(jì)算成果為2004年的計(jì)算結(jié)果，且未考慮水擊力的影響；正常水位運(yùn)行期的計(jì)算成果是2020年的計(jì)算結(jié)果，考慮了水擊力的影響。計(jì)算中考慮了管內(nèi)水重的影響。表中結(jié)點(diǎn)的傳壓(即鋼蝸殼與外圍混凝土間交界面的法向接觸應(yīng)力)或間隙是由接觸面單元形心的值按單元面積繞節(jié)點(diǎn)加權(quán)平均獲得，而平均傳壓或間隙是由蝸殼段所有接觸面單元形心的值按單元面積加權(quán)平均獲得。由這些成果表中可見，間隙或傳壓的分布是不均勻的。3.1冬季澆外圍混凝土情況3.1.1無保溫措施從表3可見，卸壓前夕(2月份)，平均傳壓0.12MPa.到初期水位運(yùn)行期冬季(1月份，下同)，平均傳壓只有0.10MPa，說明此時(shí)的內(nèi)水壓力由鋼蝸殼承擔(dān)。運(yùn)行季節(jié)相同時(shí)，正常水位運(yùn)行期比初期水位運(yùn)行期的平均傳壓大0.450.49MPa，約占內(nèi)水壓力增量(0.62MPa)的76%.運(yùn)行水位相同時(shí)，夏季運(yùn)行期(7月份，下同)比冬季運(yùn)行期的平均傳壓大0.300.34MPa，約為剩余水壓的46%.可見，溫度對(duì)傳壓的影響是顯著的。利用夏冬兩季3個(gè)特征點(diǎn)處鋼板的溫差及其外圍3m厚混凝土內(nèi)的平均溫差以及平面應(yīng)變問題的組合圓環(huán)軸對(duì)稱溫度接觸應(yīng)力公式，這種影響得到了驗(yàn)證。正常水位運(yùn)行期夏季的平均傳壓為0.89MPa，超過了剩余水壓。3.1.2采取保溫措施采取保溫措施后，平均傳壓雖有所減小，但幅度很小，僅0.02MPa，可見采取保溫措施并不能有效地減小傳壓。從溫度場(chǎng)來看，由于泡沫塑料保溫主要對(duì)短期的溫度驟變(如寒潮襲擊)有效，而且上半圓蝸殼長(zhǎng)時(shí)間處于低溫空氣中，澆筑到高程58m時(shí)，采取保溫措施情況的上半圓蝸殼鋼板溫度只有7.47，比無保溫措施情況只高1.37，時(shí)間越長(zhǎng)，兩者的溫度越接近。由于上覆混凝土水泥水化熱溫升的影響，卸壓時(shí)上半圓蝸殼鋼板溫度回升到16.4。3.1.3采取加溫措施從表3可見，采取加溫措施后，正常水位運(yùn)行期夏季的平均傳壓為0.73MPa，比無保溫措施情況減小0.16MPa，說明加溫措施可比較有效地減小傳壓。初期水位運(yùn)行期冬季尚存在間隙，平均間隙為0.53mm，接觸部位主要在下半圓和上座環(huán)附近。表3冬季澆筑外圍混凝土情況蝸殼與混凝土界面的間隙和傳壓時(shí)間無保溫措施加溫措施間隙/mm傳壓/MPa間隙/mm傳壓/MPaA點(diǎn)B點(diǎn)C點(diǎn)平均A點(diǎn)B點(diǎn)C點(diǎn)平均A點(diǎn)B點(diǎn)C點(diǎn)平均A點(diǎn)B點(diǎn)C點(diǎn)平均卸壓前夕-0.110.100.160.12-0.010.040.110.07初期運(yùn)行期冬季-0.050.190.160.100.440.76-0.53-0.040.06初期運(yùn)行期夏季-0.300.640.610.44-0.130.510.210.27正常運(yùn)行期冬季-0.520.820.630.59-0.310.680.330.43正常運(yùn)行期夏季-0.761.091.130.89-0.530.950.840.733.2夏季澆外圍混凝土情況3.2.1保壓水頭70m正常水位運(yùn)行期夏季的平均傳壓為0.68MPa，比冬季澆筑情況且無保溫措施情況(表3)小0.21MPa.初期水位運(yùn)行期冬季，相當(dāng)一部分區(qū)域尚存在間隙，平均間隙為0.66mm，比冬季澆外圍混凝土但采取加溫措施情況的0.53mm大24