河床式廠房機墩、風罩有限元分析

魯禮慧　韓少玄

摘 要：文章介紹了用ANSYS有限元分析軟件對發電廠房機墩、風罩進行計算分析，用實體單元模擬機墩、風罩等大體積混凝土結構，用殼單元模擬機墩導葉，驗證了機墩、風罩結構設計的合理性，可以為類似工程提供參考。

關鍵詞：河床式廠房；機墩風罩；有限元；應力分析

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0014-02

1 工程概況

機墩風罩及定子制動器基礎是水電站廠房中的重要設計項目，為了分析其受力特性，驗證結構設計的合理性，本次分析采用有限元計算程序對發電廠房一個機組的機墩、風罩進行結構分析。

該水電站為河床式廠房，裝機容量為183.2MW，布置有4臺水輪發電機組，單機容量為45.8MW，多年平均發電量為1062GW·h，年利用5800小時。

電站廠房機墩與風罩均為現澆整體鋼筋混凝土結構，其中風罩上部與發電機層樓板整體連接，下端與機墩環向連接，是一薄壁圓筒式結構。其外徑為15.5m，風罩最小壁厚為0.45m，高度為3.29m。風罩壁開有勵磁引出線洞、輔助引出線洞、中性點引出線洞等3個孔洞。機墩則位于蝸殼頂板上部，呈圓筒形，外徑為15.5m，壁厚達2.1m，高度為5.21m。機墩上開有水輪機端子箱進線孔、4個剛爬梯開孔、通風孔、機坑進人孔、油管預留孔等8個孔洞。

風罩、機墩及其下承蝸殼頂板，以及各層板梁構成復雜的三維空間鋼筋混凝土結構，是廠房的重要結構之一，必須滿足機組安裝、正常運行、短路飛逸時剛度和強度及檢修等要求。傳統的結構分析和配筋計算，是以結構力學方法和經驗公式來定。即分別取機墩、定子與制動器基礎及風罩為脫離體， 采用簡化力學模型用結構力學方法進行分析與計算， 但此種近似處理方法不能準確反映各部分之間的聯合承載機理。在本次分析中將風罩與機墩作為整體混凝土結構， 采用三維有限元計算模型， 基于線彈性理論， 進行了應力分析。

2 計算模型

本項計算取蝸殼、機墩、風罩作為計算模型，采用通用有限元計算軟件ANSYS，建立三維有限元模型。

有限元模型見圖1，取蝸殼底板以上到發電機層樓板范圍。在有限元網格剖分中主要采用了精度較高的六面體實體單元，在推力器孔洞附近采用了四面體單元。X方向為順水流方向，Y方向為垂直水流方向，Z向為豎直方向。蝸殼層底部、進水口墩墻及蝸殼頂板上游連接段、發電機層樓板四周為固定約束，其他位置自由。

3 材料參數及荷載

3.1 材料特性參數

混凝土：抗壓強度fc'=25MPa，彈性模量E=21019MPa，泊松比υ=0.167，重度γ=25.0kN/m3。

導葉鋼片：彈性模量E=210000MPa，泊松比υ=0.24，重度γ=78.5kN/m3。

鋼筋：ASTM A615，Gr60，fy=420MPa，E=210000MPa。

3.2 設計荷載組合及組合系數

根據EM1110-2-2104，設計荷載工況組合如下：

最大可信地震工況（MCE）：

U=0.75[1.0（D+L）+1.25E]

非地震工況：

U=1.7（D+L）

式中：U-設計荷載；D-恒載的內力和力矩；L-活載的內力和力矩；E-地震荷載的內力和力矩。

根據機組運行情況，本次計算考慮5種工況，分別為：（1）額定運行；（2）單相短路；（3）半數磁極短路；（4）推力瓦燒瓦時；（5）地震（MCE）。各種工況均包含結構自重，定子基礎荷載，下機架基礎荷載，發電機層樓板荷載，蝸殼內水壓力，額定運行和推力瓦燒瓦工況要考慮接力器荷載，地震工況要考慮地震荷載。

3.3 荷載取值及荷載系數

3.3.1 定子及下機架基礎荷載

定子及下機架基礎荷載如表1所示，定子基礎個數為8個，下機架基礎個數為6個。動荷載的動力系數取1.5，已包含在荷載標準值中。徑向荷載及切向荷載，分解成整體坐標系下的X向及Y向荷載施加。

3.3.2 發電機層樓板荷載

發電機層樓板荷載取25kPa。

3.3.3 蝸殼內水壓力

蝸殼內水壓力根據其所在水位進行施加。蝸殼內水壓力需要乘以水力系數1.3以及水錘放大系數1.25。

3.3.4 地震荷載

地震荷載按擬靜力法施加，考慮MCE地震工況：水平地震加速度為0.213g，豎向地震加速度為：2/3×0.213g=0.142g。

3.3.5 接力器荷載

正常運行工況及推力瓦燒瓦工況還需考慮大小為94t（0.94MN）的接力器荷載，兩個接力器位置處一個承受拉力，另一個承受壓力。接力器的圓形開孔直徑為1.52m，故接力器所受分布荷載為：

0.94×1.7÷（π/4×1.522）=0.881MN/m2

4 計算結果與分析

4.1 應力計算結果

發電廠房機墩、風罩應力計算結果見表2，由于工況2施加的荷載及應力結果較大，以工況2作為控制工況進行應力分析。

4.2 壓應力復核

由表2可見，各工況下的最大壓應力均不超過混凝土的抗壓強度fc'=25MPa，因此整個機墩、風罩結構滿足抗壓強度要求。

4.3 抗彎配筋

選取結構中拉應力較大的截面，通過截面上的應力路徑積分求得彎矩，再根據其中最大的彎矩進行配筋計算。

對于下機架基礎和定子基礎，拉應力較大的區域均為底部內側和頂部外側，故其內側配筋根據底部彎矩進行，外側配筋根據頂部彎矩進行。根據構造要求，需要在下機架基礎和定子基礎的加載基礎面配置徑向和環向鋼筋。

對于風罩，由于發電機層豎向荷載的作用，風罩內側產生較大的豎向拉應力，其他各向應力水平較低。除豎向配筋外，其他按構造要求即可滿足設計要求。

4.4 抗剪復核

除上述抗彎鋼筋，按構造要求在機墩和風罩內設置拉結筋。剪應力云圖如圖2所示。

5 結束語

三維空間有限元數值計算結果表明，此廠房機墩風罩及定子基礎整體結構設計合理，沒有出現過大的應力。同時，需要通過配筋以增加整體結構的強度和剛度，特別是局部開孔位置配筋要加強。本計算分析可為類似工程提供參考。

參考文獻：

[1]ACI 318， Building Code Requirements for Structural Concrete.

[2]USACE-EM-1110-2-2104， Strength design for reinforced-concrete hydraulic structures.

[3]EM1110-2-3001，Planning and Design of Hydroelectric Power Plants.endprint