大型水電站廠房水下結(jié)構(gòu)的三維有限元整體動力分析

高地震烈度、高水頭作用下的電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一直是水電設(shè)計(jì)者及工程界研究人員密切關(guān)注的重大問題。結(jié)合具體工程實(shí)例,采用大型有限元計(jì)算軟件ansys建模和分析計(jì)算,對古水水電站進(jìn)水塔在靜、動力荷載組合作用下塔體的應(yīng)力及變形的分布規(guī)律進(jìn)行分析研究。通過對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力及位移等計(jì)算結(jié)果的分析,論證塔體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性,并對古水水電站進(jìn)水塔的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)給出合理性建議。

文章采用大型三維有限元程序ansys對水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜動力分析,根據(jù)進(jìn)水塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力條件,通過靜力計(jì)算分析結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力和位移,動力計(jì)算,采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震中的響應(yīng),對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評估,以確保塔體的結(jié)構(gòu)安全,為進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

一、前言水電站廠房水下結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)一般包含兩方面內(nèi)容一是計(jì)算確定結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力場;二是當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力水平超出混凝土材料強(qiáng)度時(shí),確定如何增補(bǔ)其強(qiáng)度,即按應(yīng)力配置鋼筋的

針對小灣水電站大型復(fù)雜尾水調(diào)壓井洞室及襯砌結(jié)構(gòu),采用三維非線性有限元方法,對洞室開挖圍巖穩(wěn)定性和襯砌結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行了計(jì)算分析。通過對襯砌按線彈性和非線性開裂兩種計(jì)算方案進(jìn)行比較,分析了空間多岔調(diào)壓井襯砌結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力分布及變形、開裂特性,從而為結(jié)構(gòu)安全評價(jià)及配筋提供合理建議。計(jì)算結(jié)果表明:洞室開挖整體穩(wěn)定性較好,局部需加強(qiáng)支護(hù);運(yùn)行期的阻抗板孔口以及板與井壁連接處和檢修期的岔管底角受力較大,應(yīng)作為結(jié)構(gòu)配筋的重點(diǎn),并采取相應(yīng)的加固措施以保證安全。

為了解某待建水電站地下廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,通過三維有限元數(shù)值模擬對廠房樓板、機(jī)墩、立柱、蝸殼混凝土、尾水管等重要部位設(shè)計(jì)成果進(jìn)行模態(tài)及諧響應(yīng)分析,結(jié)果表明:初步設(shè)計(jì)成果是合理的,并為該電站廠房的安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出建議,為該電站廠房的施工圖設(shè)計(jì)及日后工作順利開展提供了重要的理論支持。

研究了水電站廠房結(jié)構(gòu)有限元整體求解時(shí)大體積混凝土與梁、柱等桿系結(jié)構(gòu)連接的過渡單元。文中介紹的方法簡單,便于工程技術(shù)人員接受,也便于編制計(jì)算機(jī)程序。特別當(dāng)現(xiàn)有程序中已有桿件單元剛度矩陣程序時(shí),則過渡單元的程序十分容易實(shí)現(xiàn)

介紹大化水電站擴(kuò)建工程圓筒式廠房結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算。分析在不均勻軟弱地基及高水土荷載作用下的圓筒式廠房各部分的內(nèi)力,了解結(jié)構(gòu)的安全度,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和配筋計(jì)算提供參考。成果得到肯定和應(yīng)用,可為同類工程提供參考。

根據(jù)某水電站引水系統(tǒng)實(shí)際情況,采用ansys三維非線性有限元法,建立其引水系統(tǒng)中新建引水隧洞的三維有限元模型;并對引水隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。驗(yàn)證襯砌方案和支護(hù)參數(shù)的合理性;同時(shí)提供襯砌配筋計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化建議,論證現(xiàn)有襯砌和支護(hù)方案合理性,補(bǔ)充和完善加固處理措施。結(jié)果表明,引水隧洞各段襯砌在各個(gè)工況下,水平位移最大值為0.41mm,出現(xiàn)在側(cè)面;垂直向最大位移為-6.53mm,出現(xiàn)在頂拱處。襯砌最大第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力,其值為2.33mpa,發(fā)生于工況四,出現(xiàn)在頂拱處;襯砌最大第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力,其值為-8.19mpa,發(fā)生于工況二,出現(xiàn)在襯砌側(cè)面。由于襯砌c25混凝土的抗壓強(qiáng)度為17mpa,故襯砌結(jié)構(gòu)安全。襯砌采取單層筋布置,各段環(huán)向配筋φ20@200mm,縱向鋼筋φ12@300mm,考慮到方圓漸變段的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜,優(yōu)化設(shè)計(jì)后建議采用50cm厚的襯砌方案。

砂卵石層級配不均,透水性強(qiáng),厚度變化較大,且河床中往往有砂層夾層分布,在這種地基上修建閘壩有必要進(jìn)行滲流穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的安全性分析。以壩址覆蓋層為砂卵石層的打鼓灘水電站為例,采用d-p非線性本構(gòu)模型,進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算,重點(diǎn)研究了河床覆蓋層上閘室與閘基在各典型工況下的應(yīng)力及變形。計(jì)算得出,閘室變形量和不同壩段間的位移差較小,滿足規(guī)范要求;閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力大部分表現(xiàn)為壓應(yīng)力,只在局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,但應(yīng)力值在規(guī)范允許范圍內(nèi),地基承載力和地基沉降也滿足規(guī)范要求。

砂卵石層級配不均,透水性強(qiáng),厚度變化較大,且河床中往往有砂層夾層分布,在這種地基上修建閘壩有必要進(jìn)行滲流穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的安全性分析。以壩址覆蓋層為砂卵石層的打鼓灘水電站為例,采用d-p非線性本構(gòu)模型,進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算,重點(diǎn)研究了河床覆蓋層上閘室與閘基在各典型工況下的應(yīng)力及變形。計(jì)算得出,閘室變形量和不同壩段間的位移差較小,滿足規(guī)范要求;閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力大部分表現(xiàn)為壓應(yīng)力,只在局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,但應(yīng)力值在規(guī)范允許范圍內(nèi),地基承載力和地基沉降也滿足規(guī)范要求。

文中結(jié)合豐滿水電站工程設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問題,以泄洪兼導(dǎo)流洞預(yù)應(yīng)力閘墩為研究對象,利用大型有限元軟件ansys,建立泄洪兼導(dǎo)流洞預(yù)應(yīng)力閘墩三維有限元計(jì)算模型.計(jì)算分析了預(yù)應(yīng)力閘墩在各種工況下的應(yīng)力分布規(guī)律,提出結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位與受力特性.

思林水電站采用三維有限元方法對溢流表孔預(yù)應(yīng)力閘墩進(jìn)行整體空間應(yīng)力分析研究,得到了各種工況下閘墩應(yīng)力的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明,該電站溢流表孔預(yù)應(yīng)力閘墩在各種工況荷載組合效應(yīng)下滿足設(shè)計(jì)要求。

某水電站溢流壩閘墩承受的荷載以及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,工作弧門推力達(dá)18009kn。為了準(zhǔn)確了解堰體、閘墩、錨塊在各典型運(yùn)行工況下應(yīng)力情況,采用三維有限元方法,對該水電站溢洪道控制段預(yù)應(yīng)力中墩進(jìn)行了整體空間應(yīng)力與變形分析,得到典型工況下結(jié)構(gòu)的整體位移、變形和結(jié)構(gòu)各重要部位的應(yīng)力分布規(guī)律。研究結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力閘墩具有整體穩(wěn)定性,在各種荷載組合效應(yīng)下整個(gè)墩體的應(yīng)力和變形分布滿足設(shè)計(jì)要求,并根據(jù)計(jì)算成果評價(jià)了混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力效果。

某水電站溢洪道閘墩錨塊承受荷載較大,弧門單個(gè)支鉸處最大水推力達(dá)到20543kn.為了準(zhǔn)確了解閘墩、錨塊等結(jié)構(gòu)在完建和運(yùn)行各典型工況下的應(yīng)力分布狀態(tài),采用通用的三維有限元程序,對新型的空腔式預(yù)應(yīng)力閘墩進(jìn)行分析,得到典型工況下結(jié)構(gòu)的整體位移和應(yīng)力分布規(guī)律.研究結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力閘墩既有整體穩(wěn)定性,各項(xiàng)荷載組合條件下錨塊局部應(yīng)力集中部位也能基本滿足設(shè)計(jì)要求,并據(jù)此評價(jià)了新型結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力效果.

采用三維有限元法對觀音巖面板堆石壩完建期(竣工期)和蓄水期的應(yīng)力變形進(jìn)行模擬計(jì)算,分析了不同時(shí)期壩體及面板的應(yīng)力變形情況。計(jì)算結(jié)果表明,大壩應(yīng)力變形滿足安全要求

同時(shí)對某水電站引水隧道系統(tǒng)進(jìn)行了三維粘彈塑性有限元數(shù)值模擬和三維彈塑性有限元數(shù)值模擬。分析對比了圍巖結(jié)構(gòu)的受力、變形演化狀況,評價(jià)了隧道開挖系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)論表明軟巖流變性對隧道穩(wěn)定性的影響顯著。

本文主要對某水電站3#廠房壩段流道底板等各關(guān)鍵部位在兩種工況下進(jìn)行了應(yīng)力對比分析,指出各關(guān)鍵部位在不同工況下的拉應(yīng)力最大值及其出現(xiàn)的具體部位,這對燈泡貫流式水電站廠房的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

巖體初始地應(yīng)力場是地下洞室圍巖穩(wěn)定與支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的基本因素之一,初始地應(yīng)力場是否可靠將直接影響到工程設(shè)計(jì)與施工的可靠性與安全性。結(jié)合某水電站廠區(qū)的地質(zhì)條件及地應(yīng)力實(shí)測資料,引入灰色控制系統(tǒng)理論,采用三維有限元法和采用靜態(tài)的三因素灰色計(jì)算模型gm(0,3)對廠區(qū)巖體初始應(yīng)力場進(jìn)行回歸反演分析。計(jì)算結(jié)果表明,廠區(qū)存在較大的水平向地質(zhì)構(gòu)造作用,巖體的地應(yīng)力由自重和構(gòu)造應(yīng)力疊加而成。實(shí)測點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力值與實(shí)測值在量值上和方向上都較為接近,表明經(jīng)過回歸得到的地應(yīng)力場是合理的,從而獲得地下廠房廠區(qū)初始應(yīng)力場較為合理的分布規(guī)律,為地下廠房的開挖模擬及穩(wěn)定性分析提供了合理的初始應(yīng)力場。

燈泡貫流式水電站廠房三維靜動力分析(一)(一) 摘要：國內(nèi)水利水電工程建設(shè)目前正處于前所未有的蓬勃發(fā)展時(shí)期，許多低水頭徑流式水電 站建設(shè)逐步在我國的江河上興建，其中燈泡貫流式水電站由于流道平坦，機(jī)組過流量大、單 位轉(zhuǎn)速高、效率高、尺寸小、重量輕、能量及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu).點(diǎn)成為目前比較普遍的一種

燈泡貫流式水電站廠房三維靜動力分析(二) 摘要：國內(nèi)水利水電工程建設(shè)目前正處于前所未有的蓬勃發(fā)展時(shí)期， 許多低水頭徑流式水電站建設(shè)逐步在我國的江河上興建，其中燈泡貫流式水電 站由于流道平坦，機(jī)組過流量大、單位轉(zhuǎn)速高、效率高、尺寸小、重量輕、能 量及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu).點(diǎn)成為目前比較普遍的一種開發(fā)型式。然

由于受水力資源、地形條件及資金等的限制,現(xiàn)今人們的目光逐漸由修建高壩、大電站轉(zhuǎn)向了開發(fā)低水頭水力資源。燈泡貫流式水電站就有著工程量小、建設(shè)周期短、淹沒損失少、便于集資等優(yōu)點(diǎn),因此越來越受到人們的關(guān)注。燈泡貫流式水電站廠房是由多個(gè)孔洞組成的復(fù)雜三維孔洞結(jié)構(gòu),本文針對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體三維有限元分析,為結(jié)構(gòu)安全提供了有力的依據(jù)。

隨著水電站水輪機(jī)組單機(jī)出力和尺寸日益增大,特別是抽水蓄能電站的運(yùn)行水頭和轉(zhuǎn)速不斷提高,機(jī)組的水力穩(wěn)定性與廠房結(jié)構(gòu)振動等問題日益突出。本文從廠房結(jié)構(gòu)振源、廠房結(jié)構(gòu)自振特性和廠房結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析三方面總結(jié)了大型水電站廠房振動相關(guān)的研究和應(yīng)用成果。結(jié)果表明,建立全耦合整體仿真模型對于推動大型水電站廠房振動問題研究的發(fā)展具有積極意義。同時(shí),對有待于進(jìn)一步研究的問題提出了展望。