亚洲第一水头充水保压配水环管壳外围混凝土结构仿真分析

fartao

    水电站位于四川省凉山彝族自治州昭觉县境内的美姑河右岸支流古里上，是古里沟一库三级梯级开发的最末级水电站。电站水头1117.5米，已经超过之前号称亚洲第一高水头的广西天湖水电站。
一、计算说明
    本文为水电站配水环管外围混凝土结构静力分析，配水环管结构采用充水保压结构型式，针对复杂的厂房结构，应用大型有限元ABAQUS程序，建立了充水保压配水环管结构应力仿真计算的整体三维有限元模型，计算出充水保压配水环管结构的应力分布规律和变形情况，并根据相关规范中的应力配筋原则进行配筋，以满足技施图阶段需要。
二、计算原则和假定
    本文将进行简化算法和仿真算法两种算法，并对两种算法结果进行比较，以比较两种算法在工程应用上的可靠性和可行性。
配水环管采用充水包压浇筑后，在机组运行时，当配水环管内水压力小于和等于保压值时，完全由配水环管单独承受内水压力，外围混凝土不承受内水压力；当内水压力大于保压值时，配水环管与外围钢筋混凝土共同承担超过保压值的那部分内水压力，即剩余水压力。为了考虑闷头的影响，计算时需在配水环管进口端和出口端管壁上增加一个轴向力，称之附加力。附加力的大小，等于保压值单独作用下闷头作用在配水环管进、出口断面上的总水平水压力，此力随保压值增加而增加；附加力的方向，与闷头作用在配水环管进、出口断面上轴向力的方向相反；附加力作用的位置是闷头与配水环管进、出口端联结处的节点上。

1、简化算法
   简化算法是指，简化方法建模时，配水环管单元和其周围混凝土单元具有共同的节点，根据有限元原理，所有的力都是通过节点来传递的，故配水环管和其周围混凝土是通过他们之间共同的节点来传递力的，所以，配水环管和其周围的混凝土之间的变形是连续、协调一致的。此方法只研究了高出预压水头那部分水压力作用下配水环管和外围钢筋混凝土联合承载，忽略了由预压水头作用产生的配水环管初始变形的影响，这也忽略了预压缝隙大小和形状变化的影响，导致无法真正地算出配水环管外围混凝土的应力及变化过程。

2、仿真算法

   仿真算法是指模拟充水保压结构的实际施工和运行过程，对配水环管外围混凝土的应力进行计算。仿真算法建模时，配水环管单元和其周围的混凝土单元节点是分开的，所有的力是通过配水环管与混凝土之间的接触来传递的，这些界面上的点在加载过程中可能出现脱开、滑移现象，更能准确的模拟配水环管和混凝土的受力状态。本文中采用的三维有限元仿真分析的基本过程如下：
（1）按三维有限元法计算充水时配水环管的变形，混凝土结构与配水环管的支撑约束均按照实际情况进行模拟，并保留单元中的应力，作为以下计算的初始条件；
（2）引入配水环管保压时浇筑部位的混凝土单元，以上一步计算的配水环管变形修正混凝土单元的节点坐标，使混凝土与配水环管紧密相贴，在配水环管与混凝土之间设置摩擦接触单元，此处忽略了混凝土浇筑过程对充水保压配水环管的影响；
（3）卸去水压力，在配水环管与外围混凝土之间便形成了预压缝隙；
（4）施加实际水压，当水头超过保压水头后，配水环管与混凝土紧密接触，两者共同承受内水压力。
模拟的过程中考虑了闷头的对配水环管产生的轴向力和其横向刚度，使结果更加符合实际情况。分期施工导致的实际加载过程模拟除了荷载变化，同时还包括了结构体系的变化，在ABAQUS中采用单元生死法（element birth and death）来模拟分期施工过程。单元生死法的基本原理为：将处于“死”状态的单元刚度矩阵降为零（实际为提高收敛性，刚度设置一个很小的乘子），使其不参与承载，并且死单元上的荷载及应变都设定为零；当单元被“激活”时，单元的刚度矩阵和荷载将恢复，不计入前期的应变历史。

三、接触非线性理论
结构系统中往往存在着不同介质物质相互接触的界面，位于这些界面上的点在加载过程中可能出现脱开、滑移或者保持粘结（位移连续）现象，使得这些可能的接触面或界面上的边界条件在加载的过程中出线不断变化的状态，而且这些变化是不可逆的，因而整个结构系统的响应不再与外载保持线性关系，或者说该问题的解是非线性的。对此类由于接触边界的不确定导致整个问题的非线性问题称为接触非线性。

1、接触面间的相互作用

接触面之间的相互作用包含两部分：
（1）接触面之间的法向作用。在两表面的法线方向上，两个表面分开的距离称为间隙。理论上认为，当接触条件变为正值时，两表面处于张开状态同时接触约束条件消失，接触迭代过程中，利用负接触压力表明张开状态；当两个表面之间的间隙为零或者负值，就产生了接触约束条件，两表面处于闭合状态。
（2）接触之间的切向作用，在接触面处于闭合状态时，根据接触表面切向相互作用的不同，可以分为固定状态和滑移状态，固定状态和滑移状态的区分是根据接触界面的剪切力大小来确定的。

2、接触迭代的收敛

    接触加载过程是一个非常复杂的问题。随着加载的进行，接触状态不断发生变化，这些变化使得接触过程的模拟计算非常困难，需要进行多次严重不连续接触迭代，且当前后两次接触迭代的结果保持一致时，说明接触迭代收敛，方可进行下一步荷载的施加。诺多次严重不连续接触迭代的结果不一致，说明接触状态不能达到稳定，有限元程序会减小荷载步步长，继续迭代，当迭代步长减小到最小容许步长时，接触迭代终止，说明接触迭代不收敛。
四、计算模型及材料参数
     电站厂房为地面厂房，共两台机组，单机容量为26MW，为冲击式机组。发电工况额定水头为1175.00m，最小水头1171.00m，最大水头1209.60m。外围混凝土应力按配水环管最大内压13.5MPa时设计。配水环管进口断面直径为0.66m。施工时，在配水环管内预压0.9倍机组最小静水头（1053.90m），然后保持此压力浇筑混凝土。
     计算模型取一个机组段作为计算分析对象。上下游以环管层下游墙和主厂房下游墙外表面为界，共计9.8m，两侧以机组段为界，共计11.4m；顶部以水轮机层地面高程为界，底部以环管层地面高程为界，共计3.18m。计算时对转轮运输通道等较大孔洞进行了模拟，计算模型底部沿铅直方向位移全部被约束，水轮机层地面高程以上的混凝土板、梁、柱和机墩风罩荷载分别按集中力和面力作用在水轮机层的相应位置。
混凝土结构采用C20混凝土，弹性模量为25.5GPa，泊松比为0.167，容重24.5Kn/m3。
钢材弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，容重78.5Kn/m3。
     仿真分析计算模型共25434个节点，79451个单元。配水环管建立模型如图4-1、4-2所示：

图4-1
模型整体网格图

图4-2
配水环管网格图

五、计算工况

    配水环管采用离散式支座，计算方法分为简化算法、仿真算法。在采用仿真算法时由于配水环管与其外围混凝土的摩擦系数较难获取，因此在仿真算法中考虑了摩擦系数为0.1、0.3、0.5、0.8四种情况。计算工况如表5-1所示：

表5-1 工况组合

工况	仿真方法				简化方法
水头\摩擦系数	0.1	0.3	0.5	0.8	——
最大内压13.5MPa	√	√	√	√	√

六、简化算法

    简化方法建模时，配水环管单元和其周围混凝土单元具有共同的节点，根据有限元原理，所有的力都是通过节点来传递的，故配水环管和其周围混凝土是通过他们之间共同的节点来传递力的。所以，配水环管和其周围的混凝土之间的变形是连续、协调一致的。

1、配水环管Mises应力分布图如图6-1所示：

图6-1
配水环管Mises应力图

   由于简化算法只考虑配水环管与混凝土共同承担剩余水压力，配水环管前期没有预压应力，所以环管应力较小。

2、外围混凝土各断面测点径向（垂直水流向）、环向（顺水流向）如表6-1所示：

七、仿真算法

1、配水环管保压10.54MPa时变形及Mises应力值如表7-1所示：

由表可见，充水保压时，配水环管最大位移位于配水环管进口部位顶部，最大位移达到0.884mm。受支撑约束影响，施工期形成的预压缝隙在空间结构中并非均匀分布，基本上配水环管断面直径越大，相应的预压缝隙越大，对于同一断面缝隙分布也不均匀，如下图7-1所示：

                                       

fartao

4、配水环管完成混凝土浇筑卸压后，配水环管与混凝土之间便形成间隙，再次加压时，当水头小于保压水头时，配水环管单独承受水压力，当水头大于保压水头时，配水环管与混凝土之间间隙被配水环管变形充满，此时，配水环管与混凝土共同受力。配水环管再次加压前后，配水环管与混凝土之间间隙值如图7-7。

由以上图可见，卸压后再次打压前，配水环管与混凝土之间绝大部分处于脱开状态，由于配水环管受力有向外膨胀并伸直的趋势，故卸压后形成的裂缝体基本上位于配水环管外侧，再次打压后，配水环管与混凝土之间绝大部分处于闭合状态，只是在配水环管顶部和底部出现极小范围的脱空现象。
八、两种算法分析1、两种算法配水环管应力分析
由图6-1及表7-1可以看出，两种算法配水环管Mises应力分布规律基本一致。由于简化算法只考虑配水环管与混凝土共同承担剩余水压力，配水环管前期没有预压应力，所以环管应力较小。简化算法计算时混凝土与配水环管采用共节点模型，配水环管节点与混凝土节点必须变形一致，导致应力分布不均匀，容易出现局部应力集中现象，而考虑配水环管与外围混凝土接触摩擦后，配水环管可以滑移，使得钢衬得到更充分的利用。配水环管应力分布比较均匀，计算结果更符合工程实际。

两种计算方案所得出的应力分布基本一致，均为靠近配水环管处应力最大，离配水环管距离越远，径向应力越小，径向应力值基本上随着配水环管直径的减小而减小。水流向应力分布差别稍大，可以看出，忽略由预压水头作用产生的配水环管初始变形对配水环管外围混凝土应力在水流向的影响大于径向的影响。在数值上，径向应力差别不大，在水流向拉应力仿真算法较简化算法稍大。在应力分布上，仿真算法应力分布较为均匀。实际上，再次打压时，由于边界条件以及变形的影响，配水环管与外围混凝土之间缝隙并非完全闭合，由此导致了误差的出现。
综上所述，采用仿真算法求解配水环管与外围混凝土联合承载结构，能更好的反配水环管及外围混凝土联合承载结构的应力分布规律和实际应力状态。
因格式问题，表格总是乱序，具体内容请看：http://bgteam.vicp.net/post/9.html

zsq-w

网格虽然可以再改进改进，不过对于工程是够用了。

问问lz，图4-1和4-2中的“配水环管外围混凝土”和“配水环管”都是钢混结构？ 二者是用素混凝土现浇连接在一起的么？

fartao

3# zsq-w

配水环管材质是高强钢，位于水轮机部位，外面是钢筋混凝土，相当于蜗壳。