河床式厂房机墩、风罩有限元分析

鲁礼慧　韩少玄

摘 要：文章介绍了用ANSYS有限元分析软件对发电厂房机墩、风罩进行计算分析，用实体单元模拟机墩、风罩等大体积混凝土结构，用壳单元模拟机墩导叶，验证了机墩、风罩结构设计的合理性，可以为类似工程提供参考。

关键词：河床式厂房；机墩风罩；有限元；应力分析

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）25-0014-02

1 工程概况

机墩风罩及定子制动器基础是水电站厂房中的重要设计项目，为了分析其受力特性，验证结构设计的合理性，本次分析采用有限元计算程序对发电厂房一个机组的机墩、风罩进行结构分析。

该水电站为河床式厂房，装机容量为183.2MW，布置有4台水轮发电机组，单机容量为45.8MW，多年平均发电量为1062GW·h，年利用5800小时。

电站厂房机墩与风罩均为现浇整体钢筋混凝土结构，其中风罩上部与发电机层楼板整体连接，下端与机墩环向连接，是一薄壁圆筒式结构。其外径为15.5m，风罩最小壁厚为0.45m，高度为3.29m。风罩壁开有励磁引出线洞、辅助引出线洞、中性点引出线洞等3个孔洞。机墩则位于蜗壳顶板上部，呈圆筒形，外径为15.5m，壁厚达2.1m，高度为5.21m。机墩上开有水轮机端子箱进线孔、4个刚爬梯开孔、通风孔、机坑进人孔、油管预留孔等8个孔洞。

风罩、机墩及其下承蜗壳顶板，以及各层板梁构成复杂的三维空间钢筋混凝土结构，是厂房的重要结构之一，必须满足机组安装、正常运行、短路飞逸时刚度和强度及检修等要求。传统的结构分析和配筋计算，是以结构力学方法和经验公式来定。即分别取机墩、定子与制动器基础及风罩为脱离体， 采用简化力学模型用结构力学方法进行分析与计算， 但此种近似处理方法不能准确反映各部分之间的联合承载机理。在本次分析中将风罩与机墩作为整体混凝土结构， 采用三维有限元计算模型， 基于线弹性理论， 进行了应力分析。

2 计算模型

本项计算取蜗壳、机墩、风罩作为计算模型，采用通用有限元计算软件ANSYS，建立三维有限元模型。

有限元模型见图1，取蜗壳底板以上到发电机层楼板范围。在有限元网格剖分中主要采用了精度较高的六面体实体单元，在推力器孔洞附近采用了四面体单元。X方向为顺水流方向，Y方向为垂直水流方向，Z向为竖直方向。蜗壳层底部、进水口墩墙及蜗壳顶板上游连接段、发电机层楼板四周为固定约束，其他位置自由。

3 材料参数及荷载

3.1 材料特性参数

混凝土：抗压强度fc'=25MPa，弹性模量E=21019MPa，泊松比υ=0.167，重度γ=25.0kN/m3。

导叶钢片：弹性模量E=210000MPa，泊松比υ=0.24，重度γ=78.5kN/m3。

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

3.2 设计荷载组合及组合系数

根据EM1110-2-2104，设计荷载工况组合如下：

最大可信地震工况（MCE）：

U=0.75[1.0（D+L）+1.25E]

非地震工况：

U=1.7（D+L）

式中：U-设计荷载；D-恒载的内力和力矩；L-活载的内力和力矩；E-地震荷载的内力和力矩。

根据机组运行情况，本次计算考虑5种工况，分别为：（1）额定运行；（2）单相短路；（3）半数磁极短路；（4）推力瓦烧瓦时；（5）地震（MCE）。各种工况均包含结构自重，定子基础荷载，下机架基础荷载，发电机层楼板荷载，蜗壳内水压力，额定运行和推力瓦烧瓦工况要考虑接力器荷载，地震工况要考虑地震荷载。

3.3 荷载取值及荷载系数

3.3.1 定子及下机架基础荷载

定子及下机架基础荷载如表1所示，定子基础个数为8个，下机架基础个数为6个。动荷载的动力系数取1.5，已包含在荷载标准值中。径向荷载及切向荷载，分解成整体坐标系下的X向及Y向荷载施加。

3.3.2 发电机层楼板荷载

发电机层楼板荷载取25kPa。

3.3.3 蜗壳内水压力

蜗壳内水压力根据其所在水位进行施加。蜗壳内水压力需要乘以水力系数1.3以及水锤放大系数1.25。

3.3.4 地震荷载

地震荷载按拟静力法施加，考虑MCE地震工况：水平地震加速度为0.213g，竖向地震加速度为：2/3×0.213g=0.142g。

3.3.5 接力器荷载

正常运行工况及推力瓦烧瓦工况还需考虑大小为94t（0.94MN）的接力器荷载，两个接力器位置处一个承受拉力，另一个承受压力。接力器的圆形开孔直径为1.52m，故接力器所受分布荷载为：

0.94×1.7÷（π/4×1.522）=0.881MN/m2

4 计算结果与分析

4.1 应力计算结果

发电厂房机墩、风罩应力计算结果见表2，由于工况2施加的荷载及应力结果较大，以工况2作为控制工况进行应力分析。

4.2 压应力复核

由表2可见，各工况下的最大压应力均不超过混凝土的抗压强度fc'=25MPa，因此整个机墩、风罩结构满足抗压强度要求。

4.3 抗弯配筋

选取结构中拉应力较大的截面，通过截面上的应力路径积分求得弯矩，再根据其中最大的弯矩进行配筋计算。

对于下机架基础和定子基础，拉应力较大的区域均为底部内侧和顶部外侧，故其内侧配筋根据底部弯矩进行，外侧配筋根据顶部弯矩进行。根据构造要求，需要在下機架基础和定子基础的加载基础面配置径向和环向钢筋。

对于风罩，由于发电机层竖向荷载的作用，风罩内侧产生较大的竖向拉应力，其他各向应力水平较低。除竖向配筋外，其他按构造要求即可满足设计要求。

4.4 抗剪复核

除上述抗弯钢筋，按构造要求在机墩和风罩内设置拉结筋。剪应力云图如图2所示。

5 结束语

三维空间有限元数值计算结果表明，此厂房机墩风罩及定子基础整体结构设计合理，没有出现过大的应力。同时，需要通过配筋以增加整体结构的强度和刚度，特别是局部开孔位置配筋要加强。本计算分析可为类似工程提供参考。

参考文献：

[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