水电站预应力混凝土蜗壳三维有限元分析与研究

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随着国家水利水电行业的蓬勃发展,各种规模水电站相继建成,对水电站厂房的研究也越来也深入。蜗壳是水电站厂房的重要组成部分之一,形式的选择十分重要。对于中低水头的水电站来说,混凝土蜗壳具有节约钢材,降低成本的优势,从经济上考虑毫无疑问是蜗壳形式的首选。但对于水头在40m左右的大中型的水电站来说,混凝土的强度略显不足,因此以何种方式改善蜗壳受力及裂缝情况,使其能适应较高水头的水电站是本文研究的重点。本文以某水电站工程为例,分析了普通混凝土蜗壳、高强混凝土蜗壳、带钢衬的混凝土蜗壳和预应力混凝土蜗壳在受力、变形及裂缝方面的特点,并对结果进行了对比,得到结论如下:  (1)简要阐述了三维有限元技术在蜗壳计算方面的研究现状,并介绍了现有的预应力蜗壳在实际工程当中的应用情况。利用有限元软件ANSYS对水电站蜗壳部分具有代表性的几个截面建立扇形模型,分析了几种不同类型蜗壳的应力变形情况。  (2)高强混凝土蜗壳由于材料强度的增大,混凝土分担的应力大于普通混凝土蜗壳,钢筋应力减小,有效地控制了结构的变形;在开裂方面,起裂荷载有了明显的提高,相同配筋率下的最大裂缝宽度较普通混凝土蜗壳更小,但在较低配筋率下,最大裂缝宽度仍不能满足规范要求,无法达到减少钢筋用量的目的。  (3)在蜗壳中加钢衬是一种传统的加固手段,计算结果说明钢衬在分担内水压力方面作用不明显,混凝土部分承担压力与普通混凝土蜗壳区别不大,但由于结构设有防渗层,使规范中对于最大裂缝宽度的允许值增大,因此能够在满足规范要求的前提下,降低钢筋用量。  (4)现有工程中使用预应力锚索改善蜗壳受力的经验有限,有限元计算及仿真材料模型试验结果证明预应力锚索在改善结构受力方面有明显效果,且能够在满足规范要求的抗裂性能的前提下,降低配筋率。对水头在40m左右,尺寸与本文计算模型接近的混凝土蜗壳,这种方法具有广泛的应用前景。  最后,对本文的研究成果进行了总结,并对后续工作进行了展望。
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