水電站地下廠房機墩溫度荷載對風罩內力的影響分析

冉昱呈，張 蕾，侯東奇

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072)

0 前 言

隨著水電建設水平的進步，電站的裝機容量和結構尺寸不斷增大，廠房結構計算愈加復雜。風罩是水電站廠房中的重要結構之一，承擔發(fā)電機層、電氣夾層和上機架基礎傳來的荷載和溫度荷載，其中內壁溫度和外壁溫度之差對內力結果影響較大。本文基于ANYS軟件建立水電站廠房機組段模型，分析各方案下風罩結構受力情況，探尋機墩溫度荷載對風罩內力的影響。

1 工程概況

某工程廠房為地下廠房，風罩高度7.0 m，高程為2 601.00～2 608.00 m，橫向19.1 m，縱向17.8 m，上游墻方向厚度1.8 m，其余方向厚度均為0.8 m。風罩頂部厚板厚1.5 m，外部尺寸與風罩相同，內徑15.4 m，其上布置有10個上機架基礎板。本計算以廠房其中某機組段為對象，沿廠房縱軸線方向取長30.58 m，寬25.0 m，高從2 566.70 m至發(fā)電機層樓面高程2 608.00 m。

在計算范圍內，對水輪機鋼鍋殼、座環(huán)外圍混凝土、機墩風罩混凝土均按實際尺寸進行模擬。模型上下游與圍巖連接的邊界節(jié)點加法向彈性鏈桿模擬圍巖的約束作用，彈性鏈桿的剛度與圍巖的單位抗力系數(shù)成正比；機組段之間設有永久分縫，因此模型兩側混凝土邊界按自由面考慮。計算模型中圍巖各邊界施加法向約束，底部施加全約束。

機墩風罩混凝土、座環(huán)、立柱和板梁采用八結點三自由度六面體單元，個別區(qū)域采用三自由度四面體單元過渡。模型總單元數(shù)250 311。機墩風罩模型、整體模型網(wǎng)格示意分別見圖1～2。

圖1 機墩風罩網(wǎng)格 圖2 整體模型網(wǎng)格

2 計算荷載和工況

2.1 計算荷載

結構自重。考慮模型所有混凝土與金屬的自重。

樓面荷載。根據(jù)機電專業(yè)所提供廠房各層樓板荷載資料單，發(fā)電機層樓面均布活荷載為6 t/m2，電氣夾層樓面均布活荷載為4 t/m2，水輪機層樓面均布活荷載為6 t/m2。

內水壓力。蝸殼最大內水壓力為3.40 MPa(包括水錘壓力)，蝸殼正常運行內水壓力為2.63 MPa，其中充水保壓值為1.7 MPa。

發(fā)電機組荷載。單個基礎板荷載為①定子基礎：豎直方向正常運行工況為727 kN，飛逸工況為706 kN，徑向正常運行工況為30 kN，飛逸工況為357 kN，切向正常運行工況為429 kN，飛逸工況為15 kN。②下機架基礎：豎直方向正常運行工況和飛逸工況均為1 770 kN，徑向正常運行工況為139 kN，飛逸工況為0。③上機架基礎：徑向正常運行工況為159 kN，飛逸工況為253 kN，切向正常運行工況為96 kN，飛逸工況為42 kN。

溫度荷載。風罩內壁溫度為35 ℃，風罩外壁溫度為15 ℃，計算參考溫度為20 ℃。

2.2 計算工況

根據(jù)不同的荷載資料以及機墩溫度荷載施加情況，工況組合如下——

工況1：正常運行工況，不考慮機墩溫度荷載；

工況2：機組飛逸工況，不考慮機墩溫度荷載；

工況3：正常運行工況，考慮機墩溫度荷載；

工況4：機組飛逸工況，考慮機墩溫度荷載。

3 計算結果及分析

3.1 應力計算結果

由于風罩壁內外溫差的作用，內壁溫度高所以產(chǎn)生壓應力，而外壁溫度低則產(chǎn)生較大的拉應力。環(huán)向最大應力主要分布在風罩的拐角處，豎向最大應力主要分布在風罩中下部外表面處。

整理不同計算工況下風罩內外表面應力最大值(見表1)與風罩頂板上下表面應力最大值(見表2)。由表1～2可得，風罩外表面的最大拉應力值較大，且遠超混凝土抗拉強度設計值。在考慮機墩溫度荷載的情況下，風罩外表面的環(huán)向和豎向最大拉應力數(shù)值高于不考慮機墩溫度荷載時的最大拉應力結果。風罩頂板的環(huán)向最大拉應力在不考慮機墩溫度荷載時較大，徑向最大拉應力在考慮機墩溫度荷載時較大。

表1 風罩內外表面最大應力值 MPa

表2 風罩頂板上下表面最大應力值 MPa

3.2 內力計算結果

對各計算工況下風罩混凝土結構在不同高程面所取的4個特征截面(如圖3所示)環(huán)向應力和豎向應力進行積分，整理得到環(huán)向和豎向的軸力、彎矩在各高程中的最大值見表3，其中環(huán)向內力為風罩高度方向單寬(1 m)，豎向內力為風罩環(huán)向單寬(1 m)，軸力以受拉為正，彎矩以風罩外側受拉為正。

圖3 風罩特征斷面位置

由表中所示風罩在各個工況的內力值可得，機墩的溫度荷載對風罩的內力結果有影響，從而會影響計算的配筋結果。上下游的2號和4號斷面的環(huán)向拉力在施加機墩溫度荷載時結果遠大于不施加時結果；4個斷面的環(huán)向和豎向彎矩均在考慮機墩溫度荷載時更大。由于在施加機墩溫度荷載后，風罩外表面最大拉應力變化較大，導致截面的彎矩增大。

表3 風罩特征截面最大內力值

4 結 語

水電站地下廠房的風罩結構計算中，溫度作用對風罩的內力和配筋影響很大。在廠房的整體有限元模型計算中，機墩的溫度荷載會影響風罩結構的應力和內力，在考慮機墩溫度荷載時風罩的最大應力大于不考慮機墩溫度荷載時的結果，同時風罩的內力在施加機墩溫度荷載時的結果也更大。