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三峡工程水电站厂坝间压力钢管取消伸缩节研究
2 计算方法
考虑到压力钢管合拢前坝体混凝土已强迫冷却到稳定温度场进行纵缝灌浆,因此先计算在边界气温作用下的坝体准稳定温度场,在此基础上,进行模拟厂房蜗壳保压浇混凝土施工过程的温度场仿真计算,直至运行期。边界水温、气温条件分水下、水上,室内、室外等不同边界而选用不同温度曲线。在获得大坝和厂房的温度场后进行应力和变形分析,将大坝和厂房作为整体进行仿真计算,从厂房混凝土浇筑开始至运行期,模拟厂房混凝土保压浇筑过程和卸压、运行期加压过程以及由此引起的钢蜗壳与外围混凝土之间的接触问题和水库蓄水过程等,考虑了自重、温度和徐变的影响。计算采用自行开发的仿真分析程序。整个计算模型结点数达5万多个,计算工作量相当庞大,为加快计算速度,采用经笔者改进的对称逐步超松弛预处理共轭梯度迭代法(ssor-pcg) 作为方程组的求解器。ssor-pcg法是公认的极为有效的大型对称正定稀疏线性方程组的少数解法之一,笔者提出的改进迭代格式比原迭代格式可将近快一倍。
为提高垫层管的应力计算精度,通过仿真计算获得运行期垫层传压和相对合拢时的两端变形和钢板的温差等数据后,取出垫层管段的钢管作为隔离体,沿环向和管轴向加密网格后用板壳有限元法计算在内水压力、垫层传力、温差和已知管端各点位移(包括线位移和转角)作用下的钢管应力。根据有关规范,钢管应力按第四强度理论计算的等效应力控制,其计算公式为
(4)
式中:为等效应力;为管轴向应力;为环向应力;为剪应力。
3 计算成果
仿真计算是从厂房混凝土浇筑开始至2020年止。本文主要介绍2019年正常水位运行期垫层管的计算成果,见表1和表2。
垫层管两端相对位移(相对合拢时)
(1)两端相对位移随时间的变化具有周期性,9月份的相对位移大,3月份的相对位移小。故表1中列出了9月份的相对位移。垫层管两端各点的位移各不相同,管顶两端相对位移大于管底两端相对位移,表明两端有相对转动,表1中所列两端平均相对位移约为管顶和管底的两端相对位移的平均值。
(2)合拢时间不同,运行期相对合拢时的温差就不同,因此所得运行期相对合拢时的相对位移也不同。下游端设止推环时,合拢时气温越低,运行期两端相对位移就越大,即两端相对位移以夏季合拢情况最小,冬季合拢情况最大,春季合拢情况稍大于秋季合拢情况;但相对位移的年变幅相同,,,此值反映了年温度变化对钢管两端相对位移的影响程度。
(3)与下游端设止推环情况相比较,不设止推环情况的管轴向相对位移减小,而其它两个方向的相对位移却增大,原因是其下游端的约束减弱,其各向位移都增大。下游端不设止推环情况的下游端位移,还受合拢时蜗壳钢板与外围混凝土间的间隙的影响,夏季合拢时的间隙量小于冬季合拢时的间隙量,从而夏季合拢情况所得运行期下游端向下游方向的位移小于冬季合拢情况,其管轴向相对压缩位移反而大于冬季合拢情况(但因温升不同,夏季合拢情况的应力未必大于冬季合拢情况的应力,见下文)。
表1 正常水位运行期9月份垫层管两端平均相对位移(单位:mm)
坝段
下游端
止推环
夏季合拢情况
冬季合拢情况
管轴向u
坝轴向v
竖向w
管轴向u
坝轴向v
竖向w
岸坡坝段
设
-
-
-
(-)
()
()
(-)
()
()
不设
-
-
河床坝段
设
-
-
(-)
()
()
(-)
()
()
不设
-
-
注:
①两端相对位移=下游端位移-上游端位移,其中u以拉伸为正;②括号内的数值为设预留环缝情况,其他为不设预留环缝情况。
(4)与不设预留环缝方案相比较,设预留环缝方案冬季合拢情况的相对位移增大较多,其中管轴向相对位移,。这是因为至合拢时间,设预留环缝方案的厂房混凝土已经过较长时间的散热,运行期相对合拢时的温升大些。
(5)河床坝段坝体高,坝体上游面所受水荷载大,厂坝间分缝没有进行接缝灌浆,其两端管轴向和竖向相对位移都大于岸坡坝段。
(6)下游端不设止推环时,机组制造厂家对两端相对位移提出了如下要求。根据河床坝段的运行期9月份管顶相对