水电站垫层蜗壳结构静动力特性研究

论文摘要

早在20世纪50年代,我国在中小型电站设计中普遍采用垫层蜗壳结构型式,由于对蜗壳施工进度不断加快的要求,我国近几年来开始在单机容量为700MW级的水电站中采用垫层蜗壳。随着蜗壳尺寸的增大和工作水头的提高,出现了许多新的课题和问题需要进一步研究。垫层蜗壳结构与其它蜗壳埋设方式相比,在不同垫层参数下受力状态具有特殊性。由于蜗壳形状不对称产生的轴向不平衡水推力及在构件间的分配规律,垫层蜗壳的自振和动力响应特性,垫层敷设范围及设计参数的合理选取,垫层蜗壳结构设计方法和垫层材料的可取性等重要技术问题仍然没有得到完善解决,垫层蜗壳结构对机组运行稳定性的影响程度也没有得到具有广泛认可的结论。针对以上问题,本文以有限元分析方法为手段,应用ANSYS软件平台,通过建立实际工程结构的有限元模型,对垫层蜗壳结构静动力特性进行了计算分析,展开了以下几方面的研究,取得了有意义的研究成果：(1)建立垫层蜗壳的三维有限元模型,并结合轴对称理论和二维平面轴对称模型,分别建立了三种二维平面轴对称模型,定量分析了不同的二维平面轴对称模型简化方法对钢衬和混凝土应力及位移的影响,为以后的三维模型简化计算提供参考。(2)基于数值模拟方法,以某实际工程为计算实例,建立垫层蜗壳三维仿真模型,详细研究了垫层蜗壳在内水压力作用下,垫层厚度、平面包角、子午包角和弹模的变化对座环所受剪力的影响,并对垫层失效情况下的座环受剪情况进行了探讨和研究,以期从座环抗剪性能设计出发为垫层蜗壳的优化设计提供理论依据。(3)为研究垫层蜗壳的动力特性及对厂房整体结构的影响,分别建立中间机组段和边机组段的蜗壳局部模型和厂房整体有限元模型,针对垫层蜗壳结构,在现有成果基础上,对边界条件,垫层参数,特别是垫层厚度对蜗壳自身、厂房下部结构以及厂房整体结构动力特性的影响,进行了详细的计算和分析,丰富了垫层蜗壳对厂房结构动力特性影响的研究成果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 蜗壳结构形式
• 1.3 研究现状及存在问题
• 1.3.1 国内外发展现状
• 1.3.2 垫层蜗壳静动力特性研究现状
• 1.3.3 垫层蜗壳静动力特性研究存在问题
• 1.4 本文研究内容
• 2 垫层蜗壳数值模拟方法研究
• 2.1 计算模型
• 2.1.1 二维轴对称模型
• 2.1.2 三维仿真模型
• 2.1.3 计算荷载
• 2.2 静力分析对比
• 2.2.1 内水压力及自重作用
• 2.2.2 全部荷载作用
• 2.3 动力特性对比
• 2.4 结论
• 3 垫层蜗壳座环结构受剪特性分析
• 3.1 研究思路
• 3.2 计算模型与条件
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 材料参数
• 3.2.3 边界条件
• 3.2.4 计算参数
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 平面包角的影响
• 3.3.2 子午包角的影响
• 3.3.3 垫层失效的影响
• 3.3.4 垫层厚度的影响
• 3.4 钢蜗壳对进口断面连杆的Y向拉力分析
• 3.5 本章小结
• 4 垫层蜗壳自振特性研究
• 4.1 垫层蜗壳自振特性
• 4.1.1 岩体的影响
• 4.1.2 垫层厚度影响
• 4.2 厂房整体自振
• 4.2.1 岩体的影响
• 4.2.2 垫层厚度影响
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢