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坝下游面浅槽式钢衬钢筋混凝土管道结构分析

2016-02-26 09:43:06中国钢材招标网

  1刖m混凝土坝后式水电站中,通常采用坝内埋管结构型式。但是,随着水电站单机容量的不断增大,压力管道直径也越来越大,使得坝内埋管对坝体削弱太大,影响坝体安全。因此,有关设计单位在坝后式水电站设计中,提出了坝下游面浅槽式钢衬钢筋混凝土管道方案。这种布置方案综合了坝下游面管道和坝内埋管的优点,因此已为国内多个工程所采用。

  但是,目前对浅槽式钢衬钢筋混凝土管道的结构分析除常用的解析法、数值方法和模型试验以外,尚无其它特别的研究方法。本文主要采用钢筋混凝土非线性有限元方法,对浅槽式钢衬钢筋混凝土管道在内水压力作用下的强度和裂缝问题进行研究,以得到钢衬、钢筋和混凝土的应力状态以及管周混凝土的开裂特征,并与解析法计算结果进行了比较。

  2钢筋混凝土非线性有限元方法方法应用于钢筋混凝土结构分析以来,不少学者在这个领域的研究工作中取得了很大的发展。但是,作为非杆件结构的坝内埋管和坝下游面钢衬混凝土管道,对其进行非线性有限元分析,还只是刚刚起步。本文在钢筋混凝土非线性有限元方法的基础上,结合水电站压力管道的特点,编制了专门的非线性有限元程序NAP.在程序中,混凝土受压时的本构关系采用SAZEN曲线,双向受力时等效单向应力应变关系式为:e'i等效单向应变=1,2);Eh初始弹模,即原点切线模量;割线模量;  混凝土受拉时,则采用双线性应力应变关系,即考虑混凝土受拉软化特性,当混凝土拉应力超过其抗拉强度后,拉应力按线性逐级释放,其表达式为:Eh拉应变,主应力方向;的混凝土最大拉应力强度和相应的拉应变;eitu主应力方向f'的混凝土极限拉应变,本计算取0.0002;E'混凝土受拉软化段切线模量。

  钢衬和钢筋采用理想弹塑性本构关系,不考虑钢材的强化作用。

  3浅槽式钢衬钢筋混凝土管道的结构分析某水电站装机5台,总装机容量300MW.拦河坝为混凝土重力坝,最大坝高107m.厂房布置于坝后河床,机组段宽度34m,引水压力钢管段宽为21.1m,厂坝联接采用上分下联的接缝形式。引水钢管内径10.8m,布置在坝下游面浅槽内,管道中心线与坝体基本剖面线重合,属坝下游面浅槽式钢衬钢筋混凝土管道,厂房坝段剖面图如所示。钢管外包混凝土厚度为2m,承受的最大设计静水头为69m,包括水击压力在内,最大设计水头为89.7m.由于坝高、管径大,管道与坝体之间传力比较复杂,为了确定压力管道复合结构的极限承载力以及在设计水头下管道和坝体混凝土的开裂状态,本文分别采用解析法和钢筋混凝土非线性有限元方法对该工程压力管道结构进行了分析。计算时,取斜直段断面进行非线性全过程仿真分析,如所示,考虑到结构和荷载的对称性,取断面的一半进行计算。

  计算的基本参数列于表1,管道中心处设计内水压力为3.1解析法计算分析根据上述基本资料,首先将所示管道断面简化为轴对称的组合圆环,采用中提出的组合环法,就可以计算出管道混凝土未开裂和裂穿时钢衬、钢筋和混凝土的应力,如表2所列,具体计算方法和过程详见。

  3.2钢筋混凝土非线性有限元分析采用上面所述钢筋混凝土非线性有限元程序NAP,就可以对如所示的计算简图进行全过程分析。程序采用增量迭代法,从P=0开始分级加载,直到P =2.0MPa,荷载总级数为10级。

  表1管道结构及材料参数参数钢衬钢筋混凝土垫层材料型号n级PS泡沫板厚度或钢筋用量(mm)弹性模量(GPa)泊松比屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)极限拉应变(101)表2组合环法管道应力计算结果计算位置,(mm)折算厚度(mm)混凝土未开裂时应力(MPa)混凝土裂穿时钢衬内层混凝土内层钢筋5700中层混凝土外层钢筋7100外层混凝土根据计算结果,整理了管道断面混凝土的应力分布和裂缝开展过程,各级荷载下钢衬和内、外层钢筋的应力列于表3.从表3可以看出,在内水压力作用下,管道结构应力具有以下特点:0.634MPa时,管周混凝土基本上处于弹性状态;P =0.634MPa时,除0=0.~45.范围管道内周边局部混凝土应力进入塑性软化段以外,其它部位的混凝土拉应力均小于抗拉强度,混凝土处于未裂状态,因此钢衬和钢筋应力均很小,最大不=0.8MPa时,0=0°~80°范围管道内缘约lm厚的混凝土已开裂或处于塑性软化段,其中0=75左右管壁混凝土已裂穿。而管道下半部内缘混凝土刚进入塑性软化处于临裂状态。此时,钢材应力开始显著增加,尤其是0=90截面。

  =0.~90.范围管壁混凝土全部裂穿,此时钢材应力增加很快,其中0 =90截面外层钢筋已达到屈服强度320MPa.而管道下半部U=90~180)管壁内缘混凝土也开始裂缝,但尚未裂穿,因此此范围内的钢材应力增加尚比较缓慢。

  =1.2~1.8MPa时,随着内水压力的增大,管道下半周混凝土进一步开裂直至裂穿,而钢材应力也稳步增加,其中P=1.4MPa时,管顶(0=0)钢衬进人屈服;P 90)截面钢衬和钢筋全部屈服。=l.8MPa时,0 =0°~90范围内钢材全部屈服,管道下半周钢材也大部分进入或接近屈服,结构随之产生大变形,此时相应的荷载是设计内水压力的2.84倍,具有相当篼的安全度。

  表3非线性计算管道钢材环向应力水压力钢材应力(MPa)管顶管中管侧管中备注混凝土弹性设计内压管顶混凝土内绪届部朔抻管侧90截面裂穿久1管侧外层钢筋屈服管顶截面钢衬屈服管侧钢材全部屈服°~90°钢材全部屈服比较符合实际的结果。

  当内水压力较大时,管周混凝土出现有限条裂缝,有裂缝处和无裂缝处的钢材应力相差很大。即使同是有裂缝处,管侧截面上钢衬、内外层钢筋应力从里向外是依次增大,而管顶截面钢材应力从里向外是依次减小,这时若采用解析法进行计算,将引起较大的误差,因此在实际工程坝下游面钢衬钢筋混凝土管道设计中,尤其是在技术设计阶段,应尽可能采用更为精确的非线性有限元方法。

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