预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析.pdf

第 2 9卷 第 9期 2 0 1 2年 9月 长江科学 院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e Ri v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e V0 1 2 9 No 9 S e p 2 0 1 2 D OI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 2 0 9 0 2 0 预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析 马文亮， 王清云， 张建华 ( 华北水利水电学院 土木与交通学院， 郑州4 5 0 0 1 1 ) 摘要： 以龙开口水电站为例 ， 提出了预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管结构的设计方案， 并采用非线性有限元理论对 背管结构进行了极限承载力分析。研究了坝后背管结构的应力分布规律， 并将预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管与 普通钢衬钢筋混凝土坝后背管进行对 比分析。研究成果表明： 预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管结构具有节省投 资、 避免开裂、 耐久性好等优点， 是一种值得广泛应用和推广的压力管道结构形式。 关键词： 预应力钢衬钢筋混凝土； 坝后背管； 非线性理论 ； 内水压力； 应力分布 中图分类号 ： T V 3 3 2 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 8 60 5 坝后背管是坝后式水电站常采用 的压力管道布 置形式 ， 这种管道布置形式具有便于布置 、 不削弱坝 体 、 可分期施工加速进度等优点 。坝后背管是钢 衬钢筋混凝土联合受力的压力管道 ， 最早应用于原 苏联克拉斯诺亚尔斯克水 电站 2 J 。由于坝后 背管 结构的诸多优点 ， 该种形式 的压力管道在实际工程 中得到了广泛应用 。从工程设计 和实践来看 ， 坝 后背管结构允许出现裂缝 ， 但裂缝 的宽度 常常超过 规范规定 的限值 J 。这些裂缝在长期运行 下会产 生诸多不利影响 ， 导致钢筋锈蚀 ， 加剧裂缝开展 ， 危 及管道 的安全运行和使用寿命。预应力钢衬钢筋混 凝土坝后背管是针对普通背管在裂缝控制和耐久性 等方面的弱点而提 出的一种结构形式 ， 环 向预应力 技术近年来在坝后背管 J 、 排沙洞 等结构 中逐渐 得到了应用 ， 起 到了良好效果。下面将 以龙开 口水 电站预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管为例 ， 采用非 线性理论 ， 对预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管进行 分析 ， 研究该结构的受力特点。 1 计算模型 1 1 工程概 况 龙开口水电站位于云南省鹤庆县中江乡境内的 金沙江中游河段上 ， 电站装机容量 1 8 0 0 MW， 挡水 建筑 物为混凝土重 力坝 ， 采用 坝后式厂房 ， 装机 5 台 ， 供水 方 式 为 单 管单 机 ， 坝后 背 管 ， 背 管 内 径 1 0 m。钢筋为 级 ， 切线弹性模量 E = 2 0 0 G P a ， 泊 松 比 =0 2 5 ， 屈服强度 。 =3 1 0 MP a ， 割线弹性 模量 E ： 2 0 G P a 。考虑施工、 温度变化和混凝土徐 变等因素 ， 钢管 和混凝 土管之 问留有2 1 mm的缝 隙 。 1 2 计算荷载 在对背管结构进行非线性有限元分析 时， 取斜 直段 中部为计算 断面。此断面的内水压力为 6 0 m 水头， 考虑到 4 0 的水击 压力升高值 ， 因此计算断 面的设计 内水压力为1 46 0=8 4 m水头 ， 即设计 内压 P= 0 8 4 MP a ， 最大 内压 P=1 0 2 MP a 。 1 3 计算理论 采用非线性有 限元理论分析龙开 口水电站预应 力钢 衬 钢 筋混 凝 土管 ， 混凝 土 的本 构 关 系 采 用 D r u c k e r P r a g e r 屈服准则 J ， 混凝土的破坏准则采用 改进的 Wil l i a m W a m k e 五参数破坏准则。普通钢筋 模拟采用整体式钢筋模型， 可 以通过定义各个方 向 的配筋率来模拟钢筋混凝土。预应力钢筋采用分离 式钢筋模型 ， 采用 2结点杆单元模拟预应力钢筋。 1 4 计算模型 在坝后背管斜直段切出2 m长的管段进行计算 分析 ， 其计算模型模拟范 围见 图 1 。对计算 模型进 行单元划分时 ， 钢衬采用 4节点的壳体单元来模拟 ； 混凝土管及坝体采用 8 节点的块体单元模拟； 预应 力钢绞线采用杆单元模拟。钢衬和混凝土管留有的 缝隙用弹簧单元连接 ， 其单元划分如图 2所示。 1 5 方案优选 为了设计一个经济合理的预应力钢衬钢筋混凝 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 32 8 ； 修 回日期 ： 2 0 1 2 0 6 2 6 基金项 目： 河南省教育厅 自然科学基础研究计划项 目( 2 0 1 0 B 5 6 0 0 0 9 ) 作者简介： 马文亮( 1 9 7 9 一) ， 男， 黑龙江宾县人， 讲师， 硕士， 主要从事工程结构的计算与分析工作， ( 电话) 1 3 7 8 3 5 2 8 0 4 0 ( 电子信箱) h l j m w l 1 2 6 c o rn。 第9期 马文亮 等 预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析 图 1 计算模 型模 拟范围 F i g 1 S i mu l a t i o n r a n g e o f t h e c a l c u l a t i o n m o d e l 90 。 图 2坝后背管单元划分及分析 断面 F i g 2 An a l y z e d s e c t i o n a n d e l e m e n t d i v i s i o n o f p e n s t o c k o n d o wn s t r e a m s u r f a c e o f t h e d a m 土坝后背管方案 ， 按照抗裂设计的标准 ， 即在最大内 压 P=1 0 2 MP a 下 ， 混凝 土管 的预压环 向应力完全 释放 ， 其环 向应力值接近于零 。研究 比选 了不同混 凝土管壁厚 、 不 同混凝土强度 、 不 同预应力钢绞线间 距 、 不 同钢衬厚度下 的设计方案。 当环向预应力钢绞线采用 5 4 s 1 5 2 布置 时， 在 最大内压 P=1 0 2 MP a 下 ， 若混凝 土管环 向应力值 接近于零 ， 环向预应力钢绞线 间距分别为 3 8 0 ， 4 5 0 ， 5 0 0， 5 5 0 ， 6 1 0 mm时 ， 混凝 土管壁厚 应分别 为0 5 ， 0 8 ， 1 0 ， 1 2， 1 5 m。当 环 向预 应 力钢 绞 线 采用 5 s 1 5 2 5 0 0布置时 ， 在最 大内压 P=1 0 2 MP a 下 ， 若混凝土管环向应力值接近于零 ， 钢衬壁厚分别 为 1 8 ， 2 O， 2 4 ， 2 6， 2 8 m m时 ， 混凝土管壁厚应分别 为 1 4， 1 2 5 ， 1 0 ， 0 8 5 ， 0 7 2 m。另外 ， 也考虑 了混凝 土强度对预应力设计方案的影响， 分析表明 ， 当混凝 土强度分别采用 C 4 0， C 4 5 ， C 5 0 ， C 5 5 ， C 6 0时 ， 对预应 力钢绞线 的用量和钢衬壁厚影响较小 。但若按 限裂 设计标准考虑 ， 由于混凝 土强度 的提高可以有效提 高其抗拉强度 ， 此时混凝 土强度对预应力钢绞线的 用量和钢衬壁厚影响较大。 综合考虑设计 、 施工等方面的因素 ， 确定采用的 预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管方案为 ： 钢衬壁厚 采用 2 4 mm， 预应力钢绞线采用 5 s 1 5 2 5 0 0布 置， 混凝 土管壁厚采用1 0 m。 1 6结构设计 龙开 口水电站预应力钢衬钢筋混凝土管设计方 案环向配置受力钢筋和预应力钢绞线 ， 环 向配筋简 图如图 3所示。 环向构造钢筋中 2 2 o o I I 单 位： 图 3 预应 力混凝土管壁环向配筋简图 Fi g 3 S k e t c h o f t h e c i r c u mf e r e n t i a l r e i n f o r c e me n t o f pr e s t r e s s e d RC p e ns t oc k wa l l 1 7 材料参数 龙开 口水电站预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管 采用钢衬壁厚 2 4 mm， 材料为 1 6 Mn R钢 ， 弹性模量 E= 2 0 6 G P a ， 泊松比 = 0 3， 抗拉强度设计值 o r = 3 0 0 MP a 。混凝土管壁厚为1 0 m， 强度等级为 C 4 0， 弹性模量 E： 3 2 5 G P a ， 泊松 比 = 0 1 6 7 轴心抗压 强度 =1 9 5 MP a ， 轴心抗拉强度 = 1 8 MP a 。 2计算结果分析 2 1 应 力分 析 对预应力钢衬钢筋混凝土管的计算分析主要考 虑了 3种计算荷载 。荷载一 ： 当钢管内压为零 时， 即 空管状态下施加环向预应力时 ， 计算混凝土管的应 力分布情况 ； 荷载二 ： 在设计 内压 P=0 8 4 MP a 下 ， 预应力钢衬钢筋混凝土管的应力分布情况 ； 荷载三 ： 按照抗裂设计 的标准 ， 在最大内压 P=1 0 2 MP a 下 ， 此时混凝土管 的预压环 向应力完全释放 ， 其环 向应 力值接近于零 。预应力钢衬钢筋混凝土管的计算结 果见表 1 。 从表 1可以看 出， 在空管状态下施加预应力时， 混凝土管上的最大环 向预压应力 出现在管顶(0： 9 0 。 ) 的内表面， 其 o r =一 1 6 9 7 M P a ； 最小环向预压应 力出现在 管 中 ( 0=0 。 或 1 8 0 。 ) 的 内表 面， 其 = 一 0 1 6 8 MP a 。在0 8 4 MP a 和1 0 2 MP a 下， 预应力钢 衬钢筋混凝土管中钢衬的承载比例系数均为0 6 9 。 第 9期 马 文亮 等 预应力钢衬钢 筋混凝 土坝后背管非线性分析 8 9 大环 向 拉 应 力 为 0 0 7 MP a ， 最 大 环 向 压 应 力 为 一 0 2 6 MP a ， 这主要 是环 向预应力 筋作用 的结果 。 从图 6 、 图 7可 以看 出 ， 在 最大 内水压 力 1 0 2 M P a 下 ， 钢衬 的环向拉应力为1 5 1 9 4 9 MP a ， 混凝 土管环 向压应力基本消除 ， 这主要是 内水压力作用的结果 。 在管坝分缝处 出现 了较 小 的拉应 力 ， 拉应 力值 为 0 0 1 MP a ， 这主要是应力集 中所产生的结果 。由此 可见 ， 在设计和最大 内水压力下 ， 预应力钢衬钢筋混 凝土管未出现拉应力 ， 不会开裂 ， 能够满足抗裂设计 要求 。 2 2应 力对 比分 析 为了体现预应力钢衬钢筋混凝土管在受力性能 方面的优越性 ， 与普通钢 衬钢筋混凝土管进行 了应 力分布的对比分析。分析结果表明 ， 若采用普通钢 衬钢筋混凝土管方案 ， 钢衬壁厚采用 2 6 mm， 凝土管 壁厚采用1 5 i n ， 混凝土强度采用 C 4 0 。当内水压力 达到设计 内压0 8 4 MP a 时 ， 钢衬 的最大环 向拉应力 为1 2 7 8 3 MP a ， 混 凝 土 管 的最 大 环 向拉 应 力 为 1 0 5 MP a ； 当内水 压力达 到最 大 内压 1 0 2 MP a 时， 钢衬 的最大环向拉应力为1 6 0 5 1 MP a ， 混凝土管最 大环 向拉应力为1 4 1 MP a ， 最大环 向拉应力 出现的 位置大约在 0= 3 7 。 和 1 4 3 。 的混凝土管 内缘上 ， 混凝 土管将要开裂 。若采用预应力钢衬钢筋混凝土管方 案 ， 钢衬壁 厚采用 2 4 m m， 预应 力钢 绞线采用 5 s 1 5 2 5 0 0布置 ， 混凝 土管壁厚采用 1 0 In， 混凝 土 强度采用 C 4 0 。当内水压力为0 8 4 MP a时 ， 钢衬的 最大环向拉应力为1 2 4 6 9 MP a ， 混凝土管未 出现环 向拉应力 ， 只在管坝分缝处出现 了较小的拉应力 ； 当 内水压力为1 0 2 MP a 时， 钢衬的最大环 向拉应力为 1 5 1 9 5 MP a ， 混凝 土管最 大环 向拉应力接 近于零 。 由此可见预应力钢衬钢筋混凝土管具有优越的抗裂 性 能 。 2 3材料 用量 对 比分析 通过对普通钢衬钢筋混凝土管和预应力钢衬钢 筋混凝土管的计算分析 ， 预应力钢衬钢筋混凝土管 可以节约混凝 土用量5 6 8 2 。对 比 2种结构形 式 的坝后背管的钢筋用量 ， 普通钢衬钢筋混凝土管单 位长度的环向用筋量为 1 5 2 1 6 k g m， 而预应力钢衬 钢筋混 凝 土 管 单 位 长 度 的 环 向 用 筋 量 为 3 1 7 8 k s i n ， 预应力钢绞线 1 2 6 5 k sIn。其预应力方案环 向总用筋量为普通钢衬钢筋? 昆凝土管的2 9 2 ， 并 且预应力方案钢衬壁厚 比普通钢衬钢筋混凝土管减 小 2 m l l l 。同时预应力方案也可以避免混凝土管开 裂。由此可见采用预应力钢衬钢筋混凝土管具有很 高的经济价值 和实用价值。 3 结 语 综上所述 ， 龙开 口水 电站预应力钢衬钢筋混凝 土管结构设计方案安全 、 经济 、 合理 ， 满足设计要求 。 预应力钢衬钢筋混凝土管能够做到节省投资、 避免 开裂 、 耐久性好等优点 ， 是一种值得广泛应用和推广 的压力管道结构形式 。 参考文献 ： 1 张伟， 伍鹤皋 ， 苏凯 钢衬钢筋混凝土坝后背管管 坝接缝面安全评价 J 岩土力学， 2 0 1 0， ( 3 ) ： 7 9 9 8 0 4 ( Z HAN G We i ，WU He g a o ，S U Ka i S a f e t y E v a l u a t i o n o f t h e J o i n t B e t we e n S t e e l Li n e d Re i n f o r c e d C o n c r e t e P e n s t o c k L a i d o n D o w n s t r e a m F a c e o f D a m J R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s ， 2 0 1 0 ， ( 3) ： 7 9 9 8 04 ( i n C h i - n e s e ) ) 2 夏敏 坝后背管外包混凝土裂缝宽度计算公式探讨 J 昆凝土， 2 0 1 1 ， ( 9) ： 3 63 9 ， 4 3 ( X I A Mi n R e - s e a r c h o n t h e C r a c k Wi d t h F o r mu l a o f S t e e l L i n e d Re i n f o r c e d C o n c r e t e P e n s t o c k L a i d o n Do w n s t r e a m S u rf a c e o f D a m J C o n c r e t e ， 2 0 1 1 ， ( 9) ： 3 63 9 ， 4 3 ( i n C h i - n e s e ) ) 3 B O N N E T P ， L I N O ML o a d s h a r i n g L i n i n g s ： A N e w D e s i g n C o n c e p t f o r L a r g e D i a m e t e r P e n s t o c k s J I n t e r n a t i o n a l Wa t e r P o w e r &D a m C o n s t r u c t i o n ， 1 9 8 8 ， 4 0 ( 1 0 ) ： 4 0 4 5 ( i n C h i n e s e ) ) 4 国茂华 ， 侯建国， 张长青 坝后背管外包混凝土裂缝问 距计算分析 J 人 民黄河 ， 2 0 0 9 ， ( 1 1 ) ： 1 0 51 0 7 ( G U O Ma o h u a ，H O U J i a n g u o ，Z H A N G C h a n g q i n g Ca l c u l a t i o n a nd An a l y s i s o f Ou t s o ur c i n g Co n c r e t e Cr a c k S pa c i ng f o r P e ns t o c k La i d o n Do wn s t r e a m Fa c e o f Da m J Y e l l o w R i v e r ， 2 0 0 9， ( 1 1 ) ： 1 0 51 0 7 ( i n C h i n e s e ) ) 5 王从保 ， 伍鹤皋 预应力坝后背管结构设计与有限元 分析 J 中国农村 水利 水 电 ， 2 0 0 7 ， ( 6 ) ： 7 57 8 ， 8 2 ( WANG C o n g b a o ，WU He g a o S t ruc t u r a l De s i g n a n d F i n i t e E l e me n t An a l y s i s o f P r e s t r e s s e d P e n s t o c k Do w n s t r e a m o f D a m J C h i n a R u r a l Wa t e r a n d H y d r o p o w e r ， 2 0 0 7 ， ( 6 ) ： 7 5 7 8 ， 8 2 ( i n C h i n e s e ) ) 6 杨元红 ， 廖波， 俞祥荣， 等 小浪底排沙洞后张无粘 结预应力混 凝土 衬砌施 工 J 水力 发 电 ， 2 0 0 0 ， ( 8 ) ： 4 95 1 ( Y A N G Y u a n h o n g ， L I A O B o ，Y U X i a n g r o n g ， e t a1 Co n s t ruc t i o n o f Unb o n de d Po s t t e n s i o n e d Co n c r e t e L i n i n g fo r X i a o l a n g d i S e d i me n t F l u s h i n g T u n n e l J Wa t e r P o w e r ， 2 0 0 0 ， ( 8 ) ： 4 9 5 1 ( i n C h i n e s e ) ) 7 S L 2 8 1 -2 0 0 3 ， 水电站压力钢管设计规范 S 北京 ： 中 国水利水电出版社 ， 2 0 0 3 ( S L 2 8 1 -2 0 0 3 ， D e s i g n S p e c 长 江科学 院院报 2 0 1 2正 i fi c a t i o n f o r S t e e l P e n s t o c k s o f Hy d r o p o w e r S t a t i o n S B e i j i n g ： C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s ， 2 0 0 3 ( i n C h i n e s e ) ) 8 C H E N W F P l a s t i c i t y i n R e i n f o r c e d C o n c r e t e M N e w Yo r k：Mc Gr a w Hi l l Bo o k Co ，1 9 81 9 S L 1 9 1 -2 0 0 8 ， 水工混凝土结构设计规范 S 北京 ： 中 国水利水电出版社， 2 0 0 8 ( S L 1 9 1 -2 0 0 8 ，D e s i g n C o d e f o r H y d r a u l i c C o n c r e t e S t r u c t u r e s S B e i j i n g ：C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s ， 2 0 0 8 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑： 周晓雁) No n l i n e a r An a l y s i s o f Pr e s t r e s s e d S t e e 1 1 i n e d Re i n f o r c e d Co n c r e t e Pe n s t o c k o n Do wn s t r e a m S u r f a c e o f Da m M A We n l i a n g ， WA N G Q i n g y u n ， Z H A N G J i a n h u a ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d C o mm u n i c a t i o n ，N o a h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t ri c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： A d e s i g n s c h e m e o f p r e s t r e s s e d s t e e l l i n e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e( R C)p e n s t o c k l a i d o n t h e d o w n s t r e a m s u r f a c e o f d a m i s p r o p o s e d，a n d t h e u l t i ma t e be a tin g c a p a c i t y o f t h e pe n s t o c k i s a n a l y z e d t h r o u g h n o n l i n e a r f i n i t e e l e me n t t h e o r y L o n g k a i k o u hy d r o p o we r s t a t i o n i s t a k e n a s a c a s e s t u d y T he l a w o f s t r e s s d i s t rib u t i o n o f t he p e n s t o c k s t r u c t u r e o n t h e d o wn s t r e a m s u r f a c e o f t h e d a m i s d i s c us s e dP r e s t r e s s e d s t e e l - l i n e d RC p e n s t o c k i s c o mp a r e d wi t h c o mmo n s t e e l l i n e d RC p e ns t o c k i n t e r ms o f s t r e s s，c o n c r e t e c o n s u mp t i o n，a n d s t e e l c o n s u mpt i o n Re s u l t s s h o w t h a t p r e s t r e s s e d s t e e l l i n e d RC p e n s t o c k o n t h e d o wn s t r e a m s u r f a c e c o u l d s a v e i n v e s t me n t ，a v o i d c r a c k i n g ， a n d i s o f g o o d d u r a b i l i t y，t h u s i s wo r t h wi d e a p p l i c a t i o n a n d p r o mo t i o n Ke y wo r d s ： p r e s t r e s s e d s t e e l l i n e d RC；p e n s t o c k o n d o wn s t r e a m s u r f a c e o f d a m；n o n l i n e a r t h e o r y ；i n t e r n a l wa t e r p r e s s u r e；s t r e s s d i s t rib u t i o n 长江科学院岩土离心机抛填 过程模 拟装置研制成功 2 0 1 2年 8月 1 7 13， 长江科学院与中国工程物理研究院总体工程研究所共同研制的“ 抛填过程 的离心模 拟装置” 顺利通过了离心模型试验的检验。该设备的成功研制 ， 填补 了国内外岩土离心机在模拟抛 填过程 成套技术方面的空 白， 为长江科学院离心机增添了新特色。 早在 2 0世纪 8 0年代的国家“ 七五” 科技 攻关 期间， 长 江科学 院针对三峡二期围堰设计 的关键技 术指 标堰体风化砂水下抛填密度 ， 首次采用离心模拟技术进行研究 ， 取得了重要的研究成果， 奠定 了建造三 峡二期围堰的基础 。2 0 1 0年 6月 ， 针对 以往离心机抛填设备无法准确模拟施工过程的问题 ， 长江科学院与 中国工程物理研究院总体工程研究所合作 ， 经过 2年多的设计 、 加工及调试 ， 终 于成功研制 了离心机运转过 程中的定点 、 定量抛填设备。该设备的主要优点是： 在离心机运转过程中能够精确定位 ， 准确控制单次抛填 量 ， 能够真实模拟 各种复杂形 状 的断 面。其主要技 术指标 为： 最大加速 度 1 0 0 g ； 抛填料 最大 容量 0 2 m ； 填料最大粒径 2 0 mm； 移动最大范围1 0 m。 长江科学院岩土离心机运转过程中抛填设备 的成功研制 ， 进一步完善了离心模拟试验技术 ， 拓展 了离心 模拟技术 的应用领域 ， 为水利工程有关问题的研究提供 了先进的试验平台。 ( 摘 自： 长江水利科技网 )