直埋蜗壳和垫层蜗壳结构受力特性分析

摘要

外包混凝土和蜗壳钢板是水电站厂房的核心受力部件,主要承受巨大的内水压力,因此有必要弄清楚二者受力后的应力和变形状态,为设计提供依据,从而保证水电站厂房的安全运行。本文应用有限元理论,以某实际工程蜗壳结构为例,系统地分析了直埋蜗壳、垫层蜗壳的钢板和外包混凝土的应力和变形状态,并尝试增加机井里衬,改变垫层子午向起始角度。经分析研究,得到以下结论:
　　直埋蜗壳结构座环附近外包混凝土拉应力水平高;其他部位外包混凝土径向压应力水平低,不会使混凝土压碎,部分区域的环向拉应力水平高,会导致混凝土拉裂;在混凝土厚或刚度大的区域,径向压应力大,在混凝土由薄到厚的过渡区域,也就是较厚区域,环向拉应力大。垫层蜗壳结构在垫层铺设范围内,外包混凝土径向压应力大幅减小;在垫层子午向起始位置和终止位置附近的外包混凝土,径向压应力有所增加,大于相同位置直埋蜗壳外包混凝土径向压应力值;外包混凝土径向位移普遍减小;外包混凝土环向拉应力普遍减小,部分区域甚至出现环向压应力。
　　直埋蜗壳结构中,钢板径向位移大处,等效应力值较大;在钢板厚薄相交处会出现应力突变,薄钢板等效应力大;钢板的等效应力远远小于钢材的抗拉强度,即使在座环附近出现应力集中的钢板,等效应力也很小,可见钢材的强度远没有得到利用。在垫层蜗壳结构中,软垫层使得蜗壳钢板能更大幅度地沿径向变形,钢板等效应力普遍增大;在钢板厚薄相交处会出现应力突变,薄钢板等效应力大;位于垫层边缘的钢板等效应力由弯曲变形和内水压力二者共同决定,能产生较大的等效应力,但仍小于钢板强度,钢板强度仍有富裕。
　　增加机井里衬有利于改善蜗壳结构工作性能。
　　垫层能有效地减小位于铺设垫层区域峰值点的环向拉应力。

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1 绪论

1.1 论文研究背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文研究的主要内容

2 基础理论

2.1 蜗壳结构研究方法

2.2 有限单元法

2.3 大型通用软件ANSYS

3 直埋蜗壳结构分析

3.1 直埋蜗壳结构外包混凝土应力分析

3.2 直埋蜗壳增加机井里衬对外包混凝土环向拉应力影响分析

3.3 直埋蜗壳结构钢板等效应力分析

4 垫层蜗壳结构分析

4.1 垫层蜗壳结构外包混凝土应力分析

4.2 垫层蜗壳增加机井里衬对外包混凝土环向拉应力影响分析

4.3 垫层蜗壳结构钢板等效应力分析

5 垫层子午向起始角度分析

5.1 分析思路及说明

5.2 计算结果

5.3 成果分析

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录