蒙江双河口电站蜗壳外围混凝土结构配筋计算.pdf

水利技术监督 2 0 1 4 年第 2 期 蒙江双河口电站蜗壳外围 混凝土结构配筋计算 肖 潇 ( 贵州省水利投资( 集团) 有限责任公司，贵州 贵阳 5 5 0 0 0 2 ) 【 摘要】 由于蜗壳外围混凝土配筋合理性直接关系到蜗壳乃至整个水电站的安全经济运行，笔者在分析现有 计算方法和理论的基础上，总结多年蜗壳设计与计算经验，就蜗壳外围混凝土结构配筋计算与施工 中常见的问题，比如剪切变形、柔性段取值、配筋选型等方面进行了探讨分析，并将其应用于双河 口水电站蜗壳计算中，取得了较好的设计成果。 【 关键词】 电站；蒙江双河 口电站；蜗壳外围混凝土结构；配筋计算 D O I 编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 1 3 0 5 2 0 1 4 0 2 0 1 7 【 中图分类号】 T V 3 3 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 8 1 3 0 5( 2 0 1 4 )0 2 0 0 4 7 0 3 蜗壳是水 电站重要 的过流部件，将压力水流较 均匀的引向水轮机 ，完成水势能向机械能的转换。 在此过程中，蜗壳主要承受压力水流 的拉应力。为 保证水力发电安全 ，中、高水头电站一般采用金属 蜗壳，外包钢筋混凝土“ 卅 。由于金属蜗壳是薄壁 结构，不适宜承受外压。为此需采取一定的结构措 施 ，使外压全部 由蜗壳的外围结构承担，即蜗壳外 围混凝土结构配筋计算 。 由于蜗 壳外 围混凝土配筋合理 性直接关系到 蜗壳乃至整个水 电站的安全经济运行，故在 水电 站厂房设计规范等标准中均有所提及。但是在实 际应用中， 由于机组参数、 厂房结构等情况的不同， 蜗壳外 围混凝土 结构配 筋计算仍存在一定 的差异 性。笔者在参考 水 电站厂房设计规范等 的基础 上，结合多年水 电站厂房设计经验 ，以双河 口水 电 站蜗壳外围混凝土结构配筋设计为例 ，探讨配筋计 算与配筋施工中易被忽略的问题和解决方法，这不 仅为水 电站蜗壳设计与计算提供有益 的参考依据， 也为电站厂房施工与改造提供了理论依据，具有重 要的学术价值和实用价值。 1 金属蜗壳外围钢筋混凝土结构配筋计算 1 1计算截面的选取与计算简图 采用圆筒式机墩时，计算截面一般只取蜗壳进 口处 = 0 0的最大截面 ，如图 1所示 1 - 1截面口 。 沿径向切取的计算截面如图 2所示。 r形刚架下端 固结于弹性垫层底部的边墙上，内端可视为铰支于 水轮机座环上 。考虑结点刚性和剪切变形 的影响， 计算简 图如图 3所示。图中顶板和边墙的柔性段长 度 L 、H取杆件 的净跨长度 ，刚性段长度 L 1 、H取 结点宽度之半。 弹 l一 日 -J l - I 图 2 作者简介：肖潇 ( 1 9 8 o年一 ) ，男，工程师。 47 水利技术监督 2 0 1 4 年第 2 期 图 3 1 2计算原则和基本假定 ( 1 )蜗壳的外围结构不承受内水压力。机墩 以及水轮机层传来 的全部垂直外荷载 由外 围结构 承受。 ( 2 )外 围结构是一空间整体结构 ，但简化为 平面 问题考虑，即在边墙 中心周长上沿径向切取单 位宽度 ，形成一等截面 r 形刚架 ，不考虑各 r形刚 架之间的约束作用；另外 ，考虑到外围结构 的一、 二期混凝土之间容易形成冷缝 ，为偏安全， r形刚 架的截面厚度 只考虑二期混凝土的厚度 。 ( 3 )不计算环 向应力，但蜗壳外 围结构实 际 上起整体受力作用，因此，环 向应配置足够 的构造 钢筋。 ( 4 )机墩传来的荷载不再考虑动力系数 。 ( 5 )不考虑温度应力。 ( 6 )蜗壳外围结构的混凝土允许开裂，但应 限制裂缝开展宽度 。 1 3作用于蜗壳外围结构的荷载及其计算 外 围结构上 的荷载及其 组合 与机墩的型式和 布置有关。当外围结构承受机墩传来的荷载时，以 正常运行情况为外围结构的设计情况，这时荷载基 本组合有机墩传来的荷载及外围结构自重，当机墩 荷载不传到外 围结构上时 ，以检修情况为设计情 况，这时荷载基本组合中有水轮机层的均布设计活 荷载及外围结构 自重。 1 4内力计算 考虑剪切变形和结点刚性影响时，必须在杆件 形常数和载常数计算 中计入剪切变形和结点刚度 的影响。现以正常运行情况 ( 采用圆筒式机墩)计 算如下。 ( 1 )计算简图及作用荷载如图 4所示。图中 A b 、b C为柔性段杆件，b B 、B b为刚性段杆件 。 ( 2 )载常数计算 。在计算 中柔性段和刚性段 的杆端内力正、负符号规定：杆端弯矩以顺时针方 向转动为正 ，杆端剪力 以绕另一端顺 时针转动为 正。在静力平衡中各杆端 内力应连同其正、负符号 代入计算。 48 2 常见问题分析与改进 一 般情况下，即 三较小时为计算方便可直接 按照上述步骤进行计算，其结果基本能满足工程精 度要求。但是，当 比值较大时，依据材料力学 理论 ，由剪切力引发的杆件变形较大，对杆件内部 受力情况有较大的影响。在此情况下，应考虑杆件 剪切变形 以及杆件变形对厚壁与杆 件结点处的刚 性影响，一般认为，剪切变形的临界条件为： h L l 5 。 ， i J， 图 4 通常认为：外围结构顶板和边墙 的长度可由柔 性段长度和刚性段长度两部分组成，如图 3所示。 在实际计算中，顶板和边墙长度较为明确，但是柔 性段长度、刚性段长度却较含糊，相应说法较多， 笔者认为顶板和边墙的柔性段长度 L 、H 的值可取 为杆件的净跨长度 ，而刚性段长度 L l 、H l可取为 结点宽度之一半。另外，当边墙 比项板厚很多时， 即边墙刚度比顶板刚度大 6 8倍时，沿径向切取 单宽项板可按一端铰支于水轮机座环 ( 图 3中的 A 端) ， 另一端固结于边墙 的梁计算 ( 图 3中的 B端 ) 此时，边墙可不计算。 由于蜗壳实际上是一空间整体结构，结构几何 形状相对复杂，内部应力不仅与水压力等有关，与 振动 、蜗壳结构、温度、材料等因素也有较密切的 联系，因此 目前尚无较精确的计算方法。需要指 出 的是，对于小型电站的蜗壳而言，由于多采用近似 水利技术监督 2 0 1 4 年第 2 期 方法计算，缺乏相应的模型试验及仿真模拟验证， 其结果往往偏大，导致配筋往往偏安全 。 由于金属蜗壳及其外围混凝土结构的复杂性， 在施工 中也存在一些需要关注的问题。 ( 1 )弹性垫层保护：由于金属蜗壳一般由厂 家成套供应，为保证蜗壳与外围结构分离的可靠 性 ，施工中应注意不使弹性垫层遭受破坏。 2 )避免应力集中：金属蜗壳之外围混凝土所 配 “ 圈筋”在施工中不能在同一截面进行焊接，否则 容易造成钢筋焊接处应力集中的现象，必须错开。 ( 3 )配筋选型 ：外围结构 的截面较厚 ，按计 算所需受力钢筋数量一般不多，或按构造配筋；而 在按构造配筋时， 在跨度较大、 厚度较薄的进 口段， 顶板径 向及边墙竖向宜采用直径较大的钢筋 ，在出 口段，可采用直径较小的钢筋 。 3 工程实例 3 1工程概况 双 河 口水 电站位于 贵州 省罗甸县边 阳镇交砚 乡，是蒙江干流规划开发的第七级水电站，电站距 边 阳镇 2 7 k m ，距罗甸县城 6 8 k m ，距贵阳市 1 4 5 k m ， 有边阳至交砚 的区乡级公路通至距坝址 区。电站工 程规模为大 ( 二)型，为不完全年调节水库，总库 容 1 9 2 8亿 lI l 3 ，兴利库容 1 8 2 8亿 m 。 ，正常蓄水位 5 8 0 m ，死水位为 5 6 0 m ，调节库容为 8 5 2 0万 m 。 ，库 容系数为 2 9 。电站装机 3台，电站总装机容量 l 2万 k w 。与上游梯级电站联合运行下，保证出力 2 9 6 4万 k w ，多年平均年发 电量 4 5 9 1 亿 k W h ， 装机利用小时数 3 8 3 0 h 。 蜗壳至尾水肘管段全部为金属钢构件 。蜗壳中 心高程 4 9 4 6 m ，进 口接 3 9 m直径的压力钢管。蜗 壳混凝土顶部高程为水轮机层 4 9 7 4 m 。 顶板混凝土 最小厚约 1 1 8 m 。主机间内整个蜗壳高程范围均为 C 2 0二期钢筋混凝土 ( W 4 、F 5 0 ) ，两侧及下游侧接 一 期水下墙。一二期之间均设置 1 6 4 0 0的插筋。 金属蜗壳下部的锥管段上游壁设置进人孔 ，上游侧 二期混凝土内设 1 2 m宽、1 8 5 m高的进人通道， 蜗 壳具体参数如下。 三仰= 4 2 51 mm ， L1= 9 4 9 n l m ， L = 3 3 0 3 h i m ， L = 1 5 5 0 mm ， h = 1 1 8 6 mm ， a = 3 7 7 7 mm H c = 2 2 0 8 mm ， H 1= 5 9 3 h i m ， H= 1 6 1 7 n l m ， = 2 8 2 5 h i m ， = 6 3 51 n l m 3 2金属蜗壳外围钢筋混凝土结构配筋计算 综合考虑到第 2节中说提 出的问题 ，依据双河 口电站蜗壳相应参数，其配筋计算如下： 顶板 ： 一 5 9 7 3 1 9( k N m ) = Ya M = 0 0 5 5 4 =1 一 =0 0 5 7 1 7 8 ： ：2 o 95 ( m m ) 1 实配受力钢筋 2 2 1 5 0 =2 5 3 4 ( m m 2 ) 边墙 ：Mb c =2 0 8 k N m ) = Y a M = 。- o 0 。 7 3 2 = 卜 F = o 0 0 0 7 3 2 。 ： ： 4 3 6 1 ( m m ) 1 实际按最小配筋率配筋 。另外 ，随着国民经济 高速发展和环境保护要求的严格，钢筋和水泥的生 产要求也逐步提高，原有的低标号水泥和钢筋逐步 被淘汰 。因此 ，本工程蜗壳的外围混凝土采用 C 2 0 ， 钢筋标号采用 I I 级钢筋 。该设计方案已经应用于双 河 口水 电站，并通过相关验收，蜗壳安全性完全符 合设计规范要求。 4 结 论 在 水 电站厂房设计规范的基础上，总结多 年蜗壳设计与计算经验，就蜗壳外围混凝土结构配 筋计算与施工中常见的问题 ，比如剪切变形、柔性 段取值、配筋选型等方面进行 了探讨分析，并提出 相应的解决方法，进而将其应用于双河口水电站蜗 壳计算 中，研究表明，通过该方法设计的蜗壳完全 符合规范要求，这不仅为水电站蜗壳设计与计算提 供有益的参考依据，也为电站厂房施工与改造提供 了理论依据 。 参考文献 1 陈坤， 姚珍格， 李柯君 小型水电站厂房 1 9 9 3 年 8 月， 第二版 2 河海大学， 大连理工大学， 西安理工大学， 清华大学合编 水工 钢筋混凝土结构学 1 9 9 6 年 1 O 月第三版 3 孙训方， 方孝淑， 关来秦 材料力学 上下册， 1 9 9 4 年9 月， 第三版 4 9