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基于非均匀缝隙的充水保压蜗壳三维仿真算法研究
水 利 学 报
2015年12月 SHUILI XUEBAO 第46卷 第12期
文章编号:0559-9350(2015)12-1434-10
基于非均匀缝隙的充水保压蜗壳三维仿真算法研究
郭 涛 ,张立翔 ,李世杰1 1 2
(1. 昆明理工大学 建筑工程学院,云南 昆明 650500;
2. 中国水电顾问集团 昆明勘察设计研究院,云南 昆明 650051)
摘要:保压蜗壳的计算方法在很大程度上影响了结果的精度和对结构受力特性的判断。为深入了解结构的受力特
性。本文从施工流程出发,考虑保压缝隙的非均匀性和接触关系,实现了保压蜗壳的施工过程全仿真,并通过算
例和理论分析,验证了算法(SUA)对保压缝隙模拟的有效性和准确性。该算法应用于糯扎渡水电站保压蜗壳的施
工过程模拟,研究了非均匀保压缝隙的形成机理和接触界面的接触性态,并对外围混凝土应力做了细致分析。结
果表明,初始保压缝隙具有非均匀和局部非张开特性,其主要导致原因是结构的非对称性,因此钢蜗壳与外围混
凝土之间正好即无缝隙也不传力的理想状态不可能存在。座环上环板、机墩根部和蜗壳进口端腰部混凝土拉应力
较大,是裂缝萌生的危险区域。此外,应力对比分析表明,简化算法和仿真算法应力分布规律基本一致,简化算
法应力偏小,对结构配筋不利,仿真算法更加符合实际情况。两种算法混凝土环向应力在蜗壳腰部和底部吻合度
较高,蜗壳顶部误差次之(个别地方误差达80%),而在座环上、下环板附近相差甚远。
关键词:水工结构;仿真算法;接触;非均匀保压缝隙;充水保压蜗壳
中图分类号:TV31;TV731 文献标志码:A doi :10.13243/ki.slxb
1 研究背景
在计算保压蜗壳外围混凝土应力时,采用蜗壳和混凝土共节点的简化算法(simplificationalgo⁃
rithm,简称SPA)忽略了保压缝隙和蜗壳与混凝土之间接触关系的影响,只考虑超出保压水头的那部
分剩余水头,混凝土应力偏小。有学者通过比较认为,简化算法与仿真算法所得应力分布规律基本
[1-2]
一致,仿真算法应力值比简化算法稍大、但误差在8%以内 ,因此SPA算法由于简单、快捷和工
[3-4] [5]
程精度的可行性被众多工程人员所采纳 。但有的研究认为 ,SPA算法最大误差可达34.48 %,简
化算法偏不安全。有学者指出,简化算法得到的混凝土应力偏小,对结构配筋不利。而有的学者则
[7]
认为简化算法相对偏保守,会增加钢筋用量 。实际工程中,钢衬与外围混凝土之间的结合形式既不
属于铰接,也不是固定链接形式,应该是一种面-面接触的关系。简化算法由于忽略了钢衬与外围混
凝土之间的接触关系及保压缝隙的影响,大大简化了钢衬与外围混凝土之间的传力特性和相互作用
关系,不仅间接提升了结构的刚度,也不能真实反映边界条件改变以及蜗壳变形对结构应力的影
响。文献[7 - 8]也指出,考虑蜗壳与支墩的接触关系,对打压变形、后续间隙变形时机和混凝土应
力影响都很大。因此在计算过程中应该考虑接触关系和保压缝隙。
由于钢蜗壳体型不仅断面上非对称性(内侧开口),也是一个整体上非完全轴对称结构,加上底
部支墩的影响,设计上难以保证所有部位按理想情况承载,充压变形并非处处膨胀。再者,闷头在
[9-12] [13]
保压水压力作用下所产生的不平衡水推力 和正常工作时进口结构的连接形式 对座环和蜗壳变形
收稿日期:2015-1-12;网络出版日期:2015-09-16
网络出版地址:http:///kcms/detail/11.1882.TV1600.003.html
基金项目:国家自然科学基金项目51279071);昆
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