三峡坝后背管有限元静力分析.docx

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三峡坝后背管有限元静力分析

三峡坝后背管有限元静力分析

摘要：

三峡电站为坝后式厂房，电站引水压力管道穿过坝体后在下游坝面为浅槽式坝面背管，采用钢衬钢筋混凝土管结构形式。

本文通过对该电站钢衬钢筋混凝土压力管道有限元静力分析，研究了钢衬及外围混凝土位移和应力的分布规律。

关键词：

钢衬钢筋混凝土压力管道有限元分析位移和应力分析

有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为有限个单元的组合体，这些单元只在有限个结点上相互连结，只包含有限个自由度。

对每个单元选择一个简单的场函数（插值位移函数）近似表示真实场函数在其上的分布规律，该简单函数可由单元节点上的物理量来表示。

基于问题的基本方程，建立单元节点的平衡方程，即单元刚度方程。

借助于矩阵表示，把所有单元的刚度方程组合成整体的刚度方程，这是一组以节点物理量为未知数的线性方程组，引入边界条件求解该方程组。

有限元方法的三大基本方程为

平衡微分方程

几何方程

本构方程

本文通过采用有限元分析软件ANSYS，对三峡坝后钢衬钢筋混凝土管结构进行有限元静力分析，分析管道的位移和应力的变化规律。

1、工程概况

该电站为巨型水电站，坝型为混凝土重力坝。

坝高145m，坝顶高程185m，正常蓄水位175m，坝段宽24m。

采用坝后式厂房，装机26台，采用单机单管形式，单机容量700MW。

电站压力管道管径为12m，HD值为1730m²。

压力管道采用坝后背管布置形式，在下游坝面预留浅槽，管道埋入坝面以内约1/2管径。

压力管道背管部分采用钢衬钢筋混凝土管形式，管道规模大，结构新颖，技术复杂，管道工作条件十分复杂。

2、材料及参数

管道钢衬采用16MnR钢板，板厚为30mm，E=210000MPa，μ=0.3，ρ=0.0078Mkg/m³。

管道外包混凝土厚度为2m，标号采用C300，E=25500MPa，μ=0.167，ρ=0.0025Mkg/m³。

3、计算过程

该有限元静力计算过程采用有限元软件ANSYS8.0进行，全过程分为三个大的步骤：

创建有限元模型；施加载荷进行求解；查看分析结果。

其中创建有限元模型包括：

创建几何模型、定义材料属性和划分节点单元。

加载并求解包括施加边界条件、施加载荷（自重和内水压力）和进行求解运算，求解运算一个荷载步，进行静力计算。

荷载查看分析结果涉及结果的分析和检验。

4、模型介绍

该问题属于平面应变问题。

计算模型选取压力管道的一段，长10m，坐标系原点定在压力管道中心，符合右手准则。

水平向为X轴，向右为正，范围；竖直向为Y轴，向上为正，；管道轴线方向为Z轴。

混凝土选取SOLID45八节点六面体单元，共有4260个单元；钢衬采用SHELL63四节点板壳单元，共有520个单元；

网格图见1—1

图1—1网格图

约束和荷载

在模型底面施加X、Y、Z三向约束，垂直于管轴线方向的两个表面施加沿Z向的法向约束，其他面为自由面。

管道内施加均匀内水压力0.3Mpa（30m水头）。

边界条件及荷载如图1—2。

图1—2边界条件及荷载

5、结果分析

（1）变形

在自重及内水压力的作用下，及边界条件的影响，混凝土及钢衬在管道两腰处变形达到最大，最大为0.339mm。

图1—3变形图

混凝土在X方向的位移在管道两腰达到最大，为0.236mm；混凝土在Y方向的位移在管顶达到最大0.301mm；在Z方向上，由于垂直于Z轴的两个表面受到法向的约束，Z向的位移均很小。

总位移在两腰至管顶之间的部分达到最大0.321mm。

节点位移图见1—4至1—7。

（2）应力

混凝土X向正应力在管道轴线以下至坝面，出现了压应力区，压应力最大达到0.147MP，管顶应力最大，为拉应力，值为0.961MP。

混凝土Y向正应力，坝体、管顶和管底为压应力，其他部位为拉应力，在管道两腰拉应力最大为0.920MP。

混凝土第一主应力均为拉应力，应力在管顶处达到最大0.971MP，第二主应力,坝体应力主要为压应力,拉应力在管腰处达到最大0.157MP。

混凝土节点应力图见图1—8至1—13。

钢衬X向正应力均为拉应力，顶部和底部的应力较大，在顶部达到最大8.917MP，向两腰部位逐渐较小，最小为0.271MP；Y向正应力，底部和顶部的应力很小，向两腰部位逐渐增大，最大为6.758MP；Z向正应力的变化规律由底向上逐渐增大。

钢衬的第一主应力，由底部向上逐渐增大，底部最小为5.294MP,顶部最大为9.212MP；第二主应力变化趋势和第一主应力类似，在管顶最大，大小为2.782MP；第三主应力相对很小，也是在管顶达到最大0.0561MP。

钢衬节点应力图见图1—4至1—19。

图1—4X向位移

图1—5Y向位移

图1—6Z向位移

图1—7总位移

图1—8混凝土σx

图1—9混凝土σy

图1—10混凝土σz

图1—11混凝土σ1

图1—12混凝土σ2

图1—13混凝土σ3

图1—14钢衬σx

图1—14钢衬σy

图1—15钢衬σz

图1—16钢衬σ1

图1—17钢衬σ2

图1—18钢衬σ3

图1—19钢衬mises应力图