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西安理工大学学报
水电站钢蜗壳与外围混凝土结构
的受力特性研究
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水电站蜗壳结构的几何形状比较复杂,在蜗壳顶部有定子基础、下机架基础、翩动闸基
础、风罩壁等圆柱形块件结构,在大体积混凝土内开有不规则的、渐变的蜗壳空腔、尾水管
空腔及进水孔等,结构受有三向荷载的作用。这样一个复杂体型、复杂边界条件的空间问题
欲得到其弹性力学解答是根本不可能的。
对蜗壳结构的设计及配筋计算,迄今只有近似的、不完善的理论和方法。如将复杂的三
维结构只作近似的平面计算或轴对称计算,其结果虽能近似反映此结构的力学特征,但远不
能满足工程设计的要求工程上通常按等截面或变截面平面型框架及平面框架用杆件系统
原稿收到日期——责任编辑:陈洁
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黄安录:水屯站钢蜗壳与外围混凝土结旬的受力特性研究
结构力学方法计算其内力,简单迅速,配鲒设计方便。实践证明,这样设计的结构是安全
的。但由于未考虑结构的整体作用,故有较大的安全储备,因而是不经济的。用该法亦不
能给出环向应力的数值,故不能给出环向配筋的设计依据。由于简化后的平面图形与结构的
实际体型及三向受力特征相差甚远,其结果事实上并不能完整反映该类结构的实际受力特征。
有限元法可用于求解具有任意复杂体型及边界条件的连续介质力学问题,可以给出与实
际结构几乎完全一致的力学模型,使应力分析成果具有很好的近似性。年代,我国用有限
元法获得了富春江水电站锕筋混凝土蜗壳的应力成果,但它采用的是常体力四面体单元,其
计算精度及应力成果的规律性较差。至年,河海大学分别对三三水电站及铜街
子水电站钢筋混凝土蜗壳结构进行了空间有限元分析,取得了比较满意的结果。至
年,西安理工大学原陕西机械学院分别对八盘峡水电站、刚果人民共和国英布鲁水电站的
钢筋混凝土蜗壳、安康水电站蜗壳外围混凝土结构用平面及三维有限元法进行了分析研究,
得到了混凝土蜗壳及不考虑内水压力作用情况下的蜗壳外国混凝土结构的主要受力特征;
还研究了在压力管道与外围砼间设置垫层时有限元计算垫层模型问冠。上成果,对于水
电站蜗壳结构,由于没有考虑钢蜗壳及外围软垫层的作用,假设内水压力全部由钢蜗壳承
担,外屡混凝土仅承担上部设备荷载及其自重作用。因此,对蜗壳外围混凝土结构而言其计
算结果和实际情况有较大差异,由于没有考虑钢蜗壳及软垫层的作用,也无法得到钢蜗壳的
应力数值。
近几年来,作者应用三维有限元法先后对我国龙羊峡、岩滩、宝珠寺三座水电站进行了
常规荷载作用下的钢蜗壳与外围混凝土之间设置软垫层情况下的应力分析。由于充分考虑了
钢蜗壳与外围混凝土及软垫层之间的整体作用,最大限度地保留了蜗壳及下部尼水管结构的
实际体型,计入了庄环固定导叶的弹性支承作用,所得结果较好地反映了锕蜗壳及外围混凝
土结构的实际受力特征。
离散模型
. 混凝土部分
宝珠寺水电站自定子基础顶面. 高程至尾水管底板基岩面. 高程共切取
个水平