3D Nonlinear Analysis of the Preloading Filling Spiral Case of the Jinping-I Hydropower Station

In consideration of the contact between the steel spiral casing and the peripheral reinforced concrete, a nonlinear analysis for the combined bearing structure of the JinPing-I preloading filling spiral case has been made with ANSYS. Contrasts of the stress of the reinforcing bars, the biggest width of the crack and the outspread section of the crack has been made with the different parameters of preloading pressure and reinforcement scheme, resulting in a reasonable preloading pressure and reinforcement scheme. This conclusion has been applied to the spiral casing of JinPing-I hydropower station.

大型水电站充水保压蜗壳结构联合承载分析

蜗壳结构是电站厂房的核心结构物，因此准确获取其应力、应变状态是至关重要的。通过数值计算，采用简化算法对某水电站保压蜗壳结构进行了应力状态和变形情况分析，并与直埋方案做了对比研究，结果表明：从限裂方面考虑保压蜗壳结构有利于机组的安全稳定运行，该水电站采取充水保压埋设方式是合理的；蜗壳外围混凝土各截面最大拉应力值出现在蜗壳顶部，该机组设计保压值偏低，选取1．9MPa保压值比较合理；蜗壳外围混凝土的结构应力值主要是由内水压力所引起的，上部荷载影响很小，仅占5％～24％左右。

大型水电站蜗壳保压值的优化分析

蜗壳结构是电站厂房的核心结构物,因此选择合理的保压值是确保大型水电站机组安全稳定运行的关键问题之一.针对云南某在建水电站充水保压蜗壳的不同保压值,对保压蜗壳结构进行了应力状态和变形情况分析.结果表明:保压值越大对蜗壳外围混凝土的受力越有利,但保压值过高,导致蜗壳与混凝土之间的脱离间隙过大,在运行时蜗壳和混凝土两者联合承载的效率太低,不仅混凝土的承载作用没有得到良好发挥,而且结构整体刚度降低,易产生共振,对机组稳定性不利.通过比较,该机组设计保压值偏高,选取1.6MPa保压值时,混凝土的应力较合理,结构也能满足刚度要求.

充水保压蜗壳与外围结构联合承载过程的力学仿真分析

水电站充水保压蜗壳兼备直埋式与垫层式蜗壳的优点,但受力分析复杂。为此,以一个HD值较高的蜗壳为例,应用三维有限元法研究了充水保压蜗壳与外围结构联合承载的过程,模型和计算过程精细,展示了联合承载过程中各结构的力学规律。结果表明:充水发电时,蜗壳与混凝土大部分区域闭合,脱开的面积约3%;外围混凝土大部分区域处在压应力状态,受拉部位少且拉应力较低,钢筋拉应力较小,此情况被现场观测所证实;采用常用公式或完全用有限法计算,蜗壳承载比的计算结果相差不超过3%;蜗壳充水保压值越低,充水运行期与混凝土的接触压力越大、蜗壳的承载比越小,因此蜗壳宜取较小的充水保压值,有利于减少振动;与常规打压顺序相比,非常规打压顺序不利于蜗壳与混凝土的贴合。此成果为该水电站的蜗壳设计提供了重要参考,电站已全面投产,蜗壳及外围结构工作表现良好。

水电站充水保压蜗壳接触行为及座环受力研究

为研究充水保压蜗壳进口结构连接形式对钢蜗壳-混凝土接触面传力和座环受力的影响,结合国内某巨型水电站,基于ABAQUS平台进行了3维有限元仿真分析。结果表明:保压间隙最早闭合的区域出现在蜗壳进口断面外侧、45°断面外侧以及270°断面内侧,达到保压水头后,未闭合的区域与最早闭合的区域在空间上正好相对;进口结构连接形式对保压间隙的闭合时机存在显著影响,伸缩节过缝时设置止推环以及蜗壳-钢管直接连接都能有效延迟保压间隙的提前闭合时机,3维仿真分析时不能忽略进口结构连接形式这一关键因素。与垫层蜗壳相比,充水保压蜗壳座环的受力状态同样值得重视,伸缩节过缝时设置止推环以及蜗壳-钢管直接连接都能显著改善保压蜗壳座环水平面内的受力状态。

保压蜗壳外围混凝土应变及脱空分布式光纤监测

采用基于PPP-BOTDA分布式光纤应变感测技术,将特制的感测光缆安装到水轮机保压蜗壳表面及外围混凝土内,对充水试验和保压卸压过程中蜗壳结构的应变分布和变化进行监测,实测光纤应变量与计算结果接近。当充水试验加压到2.6MPa和4.1MPa时,钢蜗壳表面的环向平均实测应变分别为330με和590με。感测光缆有效监测到了蜗壳在首次加压到1MPa时的应力调整现象,以及卸压后约-20με的残余应变。试验中还观察到了卸压后外围混凝土的收缩,混凝土结构环向压应变约为70~100με,计算得到蜗壳和混凝土脱空的隙缝开度为0.5~1.4mm,监测成果可为蜗壳结构的设计优化提供参考。

约束方式对蜗壳初始保压缝隙形成机理的影响分析

准确掌握初始保压缝隙的开度值和形成机理,是保压蜗壳结构研究的基础和重点之一。而初始保压缝隙主要随保压水头和边界条件的不同而改变,因此充压浇筑阶段钢蜗壳的约束方式是必须考虑的重要因素。该研究从保压结构施工工艺出发,基于充水保压蜗壳全仿真算法,构造出施工阶段的初始保压缝隙,探讨了不同支承形式(连续式和离散式)和支墩与钢衬之间的接触滑移对初始缝隙形成机理的影响。结果表明,初始保压缝隙具有非均匀和局部非张开特性,其中蜗壳腰部附近缝隙开度最大,其次是蜗壳顶部,底部最小。支承形式和接触滑移对缝隙的构成存在较大影响,虽然规律基本一致,但数值上差别较大。是否考虑接触对蜗壳腰部的缝隙开度影响最大,尤其在蜗壳的进口段,最大相差达1.8倍,主要是由于滑移增强了蜗壳水平方向的扭转变形,导致侧向位移增大。通过与原型监测结果对比验证了算法的准确性,同时也说明考虑支墩与钢衬之间的接触更加接近真实情况。

陕西镇安抽水蓄能电站蜗壳保压值合理性分析

蜗壳保压值过低会导致蜗壳外包混凝土受力过大,增加钢筋混凝土结构工程量,而保压值过高则会造成低水压运行过程中蜗壳与外包混凝土形成脱空现象,对蜗壳结构运行稳定性和机组抗振性能不利,因此,蜗壳保压值的合理性是确保抽水蓄能电站安全稳定运行的关键因素。结合镇安抽水蓄能电站工程实际,运用三维有限元分析软件ANSYS,计算分析不同保压值下蜗壳结构应力、承载比、混凝土配筋等情况。结果表明,本工程钢蜗壳采用3.8 MPa的保压值时,不仅可以保证机组稳定运行,同时能够充分发挥钢蜗壳外包混凝土的受力特性,是合理的保压水头。

充水保压蜗壳结构保压值优化研究

以有限元软件Abaqus为分析平台,对某抽水蓄能电站充水保压蜗壳结构,建立了三维有限元模型,分析其在不同保压值下的钢衬应力、外围混凝土应力、钢蜗壳与混凝土之间的缝隙值、混凝土承载比及其损伤方面的情况.结果表明:选用较高的保压水头可有效降低外围混凝土的承载比,混凝土损伤带明显减小,钢衬的材料性能也得到了充分发挥.但是当保压值过高时,蜗壳与混凝土则处于脱开状态,考虑到蜗壳自振的特性,过高保压值对机组稳定性不利.通过5种保压值方案的比较,选取保压值为5.73MPa,即最大静水头的0.8倍较为合理,结论可为类似工程设计提供参考.

充水保压蜗壳与混凝土的联合受力仿真分析

本文应用有限元分析软件ANSYS,对某抽水蓄能机组的充水保压蜗壳混凝土结构进行三维非线性有限元联合受力分析,完整模拟了蜗壳的保压浇筑和运行流程,并与蜗壳单独承受所有载荷的应力变形计算结果对比,从而掌握保压蜗壳的真实受力状态,为更精准的充水保压蜗壳设计和强度校核提供依据。

毛尔盖水电站充水保压蜗壳对厂房结构自振特性的影响分析

为分析充水保压蜗壳对毛尔盖水电站厂房结构自振特性的影响,采用有限元法建立了厂房整体结构模型,分别进行了两个工况的计算:工况一,考虑机组运行时钢蜗壳与外围混凝土结合紧密;工况二,蜗壳和外围混凝土完全脱开。在此基础上,通过对引起结构振动的振源及其频率的分析,进行了初步的共振校核,结果表明:充水保压方案对钢蜗壳的抗振有利。

水电站充水保压蜗壳结构仿真分析

应用面-面接触非线性理论,考虑钢蜗壳与外围混凝土的接触滑移,分别对断面直径大小不同的轴对称充水保压蜗壳模型进行了施工、逐级加压过程的仿真计算,主要对钢蜗壳打压后的变形、蜗壳与混凝土的间隙及其应力变化过程三方面进行研究。计算结果表明,若蜗壳断面直径较大,水重对钢蜗壳打压后的变形以及逐级加压过程中钢蜗壳与外围混凝土的间隙变化过程影响较大,但对应力变化影响较小;若蜗壳断面直径较小,水重对上述三方面的影响都很小;无论蜗壳断面直径大小,是否考虑蜗壳与支墩的接触滑移对上述三方面的影响都较大。

水电站充水保压蜗壳间隙闭合及接触传力特性

充水保压蜗壳结构的受力和变形与保压间隙的闭合特性直接相关,进口结构连接形式对保压间隙的闭合特性存在潜在的影响.为此,采用有限元法模拟保压蜗壳施工到运行全过程.结果表明:保压间隙具有显著的提前闭合特性,提前闭合区从进口断面和45°断面外侧、270°断面内侧开始,随内水压力的增大逐渐扩展;达到保压水头时,未闭合区与最先闭合区空间上相对.伸缩节过缝时设置止推环或者引水钢管与蜗壳直接相连都能有效延迟保压间隙提前闭合的时机,对外围混凝土大部分截面的受力有利,座环承担的不平衡水推力和扭矩减小约50%.采用简化算法时,蜗壳外围混凝土大部分特征截面的合力明显偏小,且机墩上抬变形偏小30%~40%,可能导致设计不安全.

水电站充水保压蜗壳结构研究和应用综述

结合我国水电站蜗壳结构的发展近况,介绍了近几年来保压蜗壳结构的工程应用和研究进展.指出了"带缝工作"时不完整约束对蜗壳结构的受力特性和传振机理带来较大影响,尤其是考虑非均匀、局部非张开的保压缝隙时,对钢衬和外围混凝土之间的振动传递影响显著.在此基础上归纳了保压蜗壳结构研究中存在的问题,最终提出未来保压蜗壳结构研究应强调"缝隙",视缝隙为"控制工具",以全新的视角看待不完整约束条件的作用,建立一套评价不完整约束蜗壳结构安全性和稳定性的分析方法体系.

基于非均匀缝隙的充水保压蜗壳三维仿真算法研究

保压蜗壳的计算方法在很大程度上影响了结果的精度和对结构受力特性的判断。为深入了解结构的受力特性。本文从施工流程出发,考虑保压缝隙的非均匀性和接触关系,实现了保压蜗壳的施工过程全仿真,并通过算例和理论分析,验证了算法(SUA)对保压缝隙模拟的有效性和准确性。该算法应用于糯扎渡水电站保压蜗壳的施工过程模拟,研究了非均匀保压缝隙的形成机理和接触界面的接触性态,并对外围混凝土应力做了细致分析。结果表明,初始保压缝隙具有非均匀和局部非张开特性,其主要导致原因是结构的非对称性,因此钢蜗壳与外围混凝土之间正好即无缝隙也不传力的理想状态不可能存在。座环上环板、机墩根部和蜗壳进口端腰部混凝土拉应力较大,是裂缝萌生的危险区域。此外,应力对比分析表明,简化算法和仿真算法应力分布规律基本一致,简化算法应力偏小,对结构配筋不利,仿真算法更加符合实际情况。两种算法混凝土环向应力在蜗壳腰部和底部吻合度较高,蜗壳顶部误差次之(个别地方误差达80%),而在座环上、下环板附近相差甚远。

充水保压蜗壳三维非线性仿真与承载力研究

基于混凝土弹塑性损伤模型和接触非线性理论,采用仿真算法对充水保压蜗壳进行三维非线性仿真分析并对其进行超载计算,研究内水压力上升过程中钢蜗壳和钢筋应力、外围混凝土损伤区、机墩结构位移和座环变形的变化规律以及结构的超载能力。结果表明,内水压力达到保压值以前,钢蜗壳几乎处于单独承载状态,应力增加较快;在设计内水压力作用下,外围混凝土局部有较小范围的损伤,钢筋应力较小;超载系数大于1.1以后,外围混凝土的损伤区域和损伤程度迅速增大,机墩和座环的变形明显;但超载系数达到1.5时,蜗壳结构仍然具备一定的安全裕度。三维非线性仿真算法更加符合工程实际,应该在充水保压蜗壳结构的设计和研究中推广采用。

金属蜗壳不同断面型式充水保压状态下的受力特性分析

水轮机金属蜗壳设计中不同断面结构型式的选择,会在一定程度上影响结构的受力特性和厂房布置尺寸。为分析金属蜗壳不同断面型式结构受力特性,对非圆形的三心圆蜗壳断面与圆形蜗壳断面结构在充水保压阶段进行了有限元数值计算。研究结果表明:相比于圆形断面蜗壳结构,三心圆蜗壳在充水保压时蜗壳直管段会发生较大的水平偏转位移,座环整体在水平向的变位也相对更大,对钢蜗壳整体的变形控制要求更高;而钢蜗壳断面内环向应力数值略有减小,但整体应力水平变化不大。因此,从水压试验和保压阶段蜗壳与座环结构的变形控制角度来看,在高水头充水保压蜗壳结构中采用非圆形断面蜗壳结构是不合适的。建议今后在金属蜗壳结构设计和埋设方式选择时,应该充分重视不同蜗壳断面结构型式对结构受力特性的影响,确保水电工程的顺利建设和安全运行。

充水保压蜗壳结构联合承载三维非线性分析

基于Drucker-Prager的弹塑性混凝土本构模型,采用简化算法对充水保压蜗壳进行三维非线性分析,通过超载计算,研究内水压力上升过程中蜗壳外围混凝土可能发生塑性区的危险部位及其塑性区扩展情况.结果表明,在设计内水压力作用下,外围混凝土仍处于弹性工作状态,结构的强度安全性较高;当超载系数大于1.15以后,混凝土塑性区出现并随着内水压力的增加,塑性区迅速增大,当超载系数达到1.7时,出现大面积贯穿性塑性区.座环上下环板附近、机墩根部与水轮机层交界处,由于混凝土较薄,而且属于应力集中区域,始终是塑性区出现的危险部位,应该给予重点关注.另外,当内水压力增高时,蜗壳进口直管段右侧腰部也是塑性区扩展的薄弱部位.

水电站充水保压蜗壳仿真分析的影响因素

基于接触非线性理论,考虑钢蜗壳与外围混凝土的接触滑移,采用仿真算法对充水保压蜗壳进行了三维仿真分析和平面轴对称仿真分析.研究了机墩和设备质量及平面轴对称简化模型对蜗壳打压后的变形、蜗壳与混凝土的间隙及其应力的影响.计算结果表明:机墩及设备质量对钢蜗壳的应力影响较小,但对钢蜗壳与外围混凝土的间隙和外围混凝土的应力影响较大,三维仿真模型应该考虑机墩及设备的质量;平面轴对称仿真模型虽未考虑闷头在仿真分析中的作用,但能反映钢蜗壳和外围混凝土的变形特征与受力特性,可以在初步设计时采用.

水电站充水保压蜗壳结构的改进算法

在充水保压蜗壳传统简化算法的基础上提出了改进算法,据此主要分析运行工况下蜗壳进口不平衡水推力对外围混凝土应力和配筋量的影响.计算结果表明,传统简化算法未考虑不平衡水推力的作用,外围混凝土的应力和配筋量偏小,结构偏不安全.在蜗壳进口端施加不平衡水推力的做法,对设伸缩节的情况会导致直管段外围混凝土的应力和配筋量偏大,而对无伸缩节的情况则不能考虑不平衡水推力的作用.本文提出的在蜗壳进口断面下游侧转弯区域以面力的形式施加不平衡水推力的做法,对有无伸缩节的情况均能实现,可使外围混凝土的应力和配筋计算更加精确、合理,建议在充水保压蜗壳结构的设计和研究中采用.