裴向輝 劉卓

鋼襯結(jié)構(gòu)是由鋼板焊接而成的板殼組合結(jié)構(gòu)，其受力較為復(fù)雜。鋼板襯砌是薄壁結(jié)構(gòu)，在外水作用下，易產(chǎn)生彎曲變形，由于其抗彎能力較弱，會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)大變形的屈曲破壞或者是鋼襯結(jié)構(gòu)錨固到混凝土中的法向支撐構(gòu)件的強(qiáng)度問題。通常情況下，對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行環(huán)向加強(qiáng)和縱向肋加強(qiáng)比單一增加鋼板厚度更有效。

本文通過某水電站工程實(shí)例，采用ANSYS 三維有限元軟件，通過改變鋼襯軸線對(duì)鋼襯應(yīng)力的影響，對(duì)鋼襯布置提出建議。研究表明，鋼襯軸線對(duì)鋼襯受力效果影響較為顯著，當(dāng)管線水平布置時(shí)，可以有效改善管壁及加勁肋與面板連接處的受力狀況，對(duì)工程實(shí)踐有重要的指導(dǎo)意義。

1 進(jìn)水口鋼襯布置

某水電站位于巴基斯坦開普爾-普什圖省，電站總裝機(jī)容量為800 MW，混凝土面板堆石壩最大壩高213 m，大壩右岸設(shè)有深式進(jìn)水口，進(jìn)水口后接引水隧洞。在工作門后至引水隧洞前設(shè)置有鋼板襯砌，分為矩形段、漸變段及圓形標(biāo)準(zhǔn)段。矩形斷面尺寸為7.5 m×10 m（寬×高），矩形段長(zhǎng)度為20.35 m；漸變段為方變圓，由2 條7.5 m×10 m（寬×高）的矩形斷面合并為17.47 m×10 m（寬×高）的矩形斷面，漸變?yōu)橹睆?3.2 m 的圓形斷面，漸變段長(zhǎng)度29.28 m；直徑13.2 m 的圓形斷面長(zhǎng)2.05 m，如圖1 所示。

圖1 進(jìn)水口鋼襯布置示意圖

矩形段又分為矩形段一、矩形段二，兩矩形段鋼襯厚度均為24 mm。矩形段一肋板設(shè)置如下：共設(shè)3 道環(huán)向肋板，高為800、400 mm 相間設(shè)置；矩形段二環(huán)向肋板為800、400 mm 相間設(shè)置，且高為800 mm 的環(huán)向肋板設(shè)翼緣，翼緣寬200 mm。在矩形段一、二前側(cè)和后側(cè)跨中分別設(shè)3 道縱向肋板，在頂部和底部分別設(shè)1 道肋板，高均為400 mm。在矩形段一、二連接處上下側(cè)、外側(cè)設(shè)有縱向短肋；在矩形段二與過渡段連接處設(shè)有縱向短肋，在矩形段二與弧形連接處設(shè)有縱向短肋，縱向短肋高均為400 mm。所有加勁肋厚度均為24 mm，間距均為1 000 mm。

在岔管與過渡段連接弧形處鋼襯厚度為26 mm。設(shè)有4道縱向肋板，7道環(huán)形肋板，高度均為400 mm，厚度均為24 mm。

過渡段鋼襯厚度為26 mm，環(huán)向肋板為：800、400 mm 相間設(shè)置，間距為1 000 mm，且高為800 mm 的環(huán)向肋板、前4 道高為400 mm 的肋板設(shè)有翼緣，翼緣寬200 mm；在過渡段頂部、底部、前側(cè)、后側(cè)的跨中分別設(shè)1 道縱向肋板，高度為400 mm。肋板厚度均為24 mm。

2 初始方案結(jié)構(gòu)分析

2.1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

進(jìn)水口鋼襯為薄壁結(jié)構(gòu)，為了提高抗彎承載力，在鋼襯外緣設(shè)置加勁肋，為了提高加勁環(huán)與混凝土的錨固作用，在加勁肋頂部設(shè)置翼緣板，并嵌固到混凝土結(jié)構(gòu)中，如圖2 所示。在內(nèi)水壓力作用下，僅考慮周圍混凝土對(duì)加勁肋翼緣的作用，在外水作用下，考慮周圍混凝土對(duì)鋼板襯砌加勁肋翼緣的約束。進(jìn)水口鋼襯結(jié)構(gòu)采用殼體單元模擬，計(jì)算模型如圖3 所示。

圖2 加勁環(huán)翼緣布置示意圖（單位：m）

圖3 初始模型鋼襯有限元模型

2.2 邊界條件

整體模型使用殼單元建立，包括四分部、矩形段、弧面連接處、過渡段和圓管段。計(jì)算模型采用殼單元建模，計(jì)算模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，其中x軸沿流道指向下游為正；y軸為水平方向，指左側(cè)為正；z軸為鉛垂方向，豎直向上為正。在矩形岔管段和過渡段所有環(huán)向肋板翼緣處施加全約束；在鋼襯表面施加荷載。鋼襯假定為各向同性、均勻連續(xù)的彈性體。模型的材料力學(xué)參數(shù)見表1，鋼襯的屈服強(qiáng)度為690 MPa。

表1 計(jì)算模型的材料力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算荷載

2.3.1 鋼襯自重

鋼襯的自重通過定義重力加速度與材料密度來施加。

2.3.2 外水繞滲壓力

進(jìn)水口采用塔式進(jìn)水口，鋼襯沒于水庫(kù)中，檢修工況下，承受的外水繞滲壓力選取正常蓄水位時(shí)孔口中心水壓力進(jìn)行計(jì)算，未考慮折減，外水繞滲壓力為0.63 MPa。

2.3.3 澆筑壓力

考慮到分期澆筑，僅考慮頂部澆筑混凝土自重，混凝土分塊澆筑高度為3.0 m，澆筑最大壓力經(jīng)計(jì)算取0.07 MPa。

2.3.4 灌漿壓力

施工期灌漿壓力取0.4 MPa。

2.4 分析結(jié)果

選取控制工況檢修工況進(jìn)行分析計(jì)算，檢修工況下進(jìn)水口鋼襯關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果匯總見表2。

表2 檢修工況下進(jìn)水口鋼襯關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果匯總 MPa

（1）在矩形岔管段，環(huán)向加勁肋和縱向肋板應(yīng)力均小于允許應(yīng)力。同時(shí)可以看出，在加勁環(huán)板及翼緣外側(cè)跨中處應(yīng)力較大，屬于應(yīng)力集中，最大達(dá)到599 MPa，屬于彎曲應(yīng)力區(qū)。

（2）弧形連接處，縱向肋板與面板應(yīng)力均遠(yuǎn)小于允許應(yīng)力，鋼板特性并沒有充分發(fā)揮出來。

（3）過渡段環(huán)向加勁肋及翼緣外側(cè)跨中應(yīng)力最大，屬于彎曲應(yīng)力，應(yīng)力值為490 MPa。環(huán)向加勁肋內(nèi)側(cè)四角應(yīng)力最大處為385 MPa，彎曲應(yīng)力滿足要求。

進(jìn)水口鋼板襯砌中面壓力云圖如圖4所示。

圖4 進(jìn)水口鋼板襯砌中面壓力云圖

3 改進(jìn)方案驗(yàn)算

將進(jìn)水口鋼襯豎向軸線改為水平布置，如圖5 所示，弧形連接段去除縱向肋板，其計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 檢修工況下進(jìn)水口鋼襯關(guān)鍵部位應(yīng)力結(jié)果匯總 MPa

圖5 進(jìn)水口鋼板初始方案和改進(jìn)方案布置示意圖（縱斷面）

從上表可以看出：

（1）矩形岔管段，環(huán)向加勁肋和縱向肋板應(yīng)力均小于允許應(yīng)力，加勁環(huán)板及翼緣外側(cè)跨中處應(yīng)力較大，屬于應(yīng)力集中，最大達(dá)到463 MPa，屬于彎曲應(yīng)力區(qū)，滿足要求。鋼襯面板在矩形段一與矩形段二連接處應(yīng)力較大，最大達(dá)到473 MPa；在矩形段二與過渡段連接處，應(yīng)力最大達(dá)到524 MPa，此兩處均為彎曲應(yīng)力區(qū)域，小于允許應(yīng)力624 MPa，滿足要求。

（2）弧形連接處，縱向肋板與面板應(yīng)力均小于允許應(yīng)力，滿足要求。其應(yīng)力最大處位于弧面與矩形段二連接處，為233 MPa。

（3）過渡段，面板膜應(yīng)力區(qū)均滿足要求。環(huán)向

加勁肋及翼緣外側(cè)跨中應(yīng)力最大處為616 MPa，彎曲應(yīng)力處滿足要求。環(huán)向加勁肋內(nèi)側(cè)四角應(yīng)力最大處為426 MPa，彎曲應(yīng)力滿足要求。面板與環(huán)向肋板交接處，最大應(yīng)力達(dá)到400 MPa，屬于彎曲應(yīng)力區(qū)，滿足要求。

進(jìn)水口鋼板襯砌中面壓力云圖（改進(jìn)方案）如圖6 所示。

圖6 進(jìn)水口鋼板襯砌中面壓力云圖（改進(jìn)方案）

通過初始方案和改進(jìn)方案對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）在矩形段一，改進(jìn)方案的面板膜應(yīng)力有所提高，證明面板的材料性能得到進(jìn)一步發(fā)揮，同時(shí)，加勁環(huán)板及翼緣外側(cè)跨中應(yīng)力較初始方案降低了30%，使得應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著降低。

（2）在矩形段二，改進(jìn)方案整體的應(yīng)力相較于原始方案更加均勻，其中，加勁環(huán)板及翼緣外側(cè)跨中應(yīng)力較初始方案降低了30%，使得應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著降低。

（3）弧面連接段處，改進(jìn)方案相較于原始方案的膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力有較小幅度提升，縱向肋板減少使得弧面連接段的面板能得到發(fā)揮，結(jié)構(gòu)更加合理。

（4）過渡段處，改進(jìn)方案相較于原始方案的膜應(yīng)力有所下降，面板與加勁環(huán)連接處，環(huán)向加勁肋內(nèi)側(cè)四角，環(huán)向加勁肋及翼緣外側(cè)跨中以及過渡段與弧面連接處的應(yīng)力均有較大提高，說明軸線調(diào)整成水平直線后，過渡段與混凝土連接處的聯(lián)合作用更加緊密，能充分發(fā)揮鋼板材料性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）進(jìn)水口鋼襯豎向軸線由有夾角調(diào)整成水平后，鋼襯整體應(yīng)力水平更加合理，鋼襯材料特性能進(jìn)一步得到充分發(fā)揮。

（2）在外水作用下，進(jìn)水口鋼襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)雜， 彎曲應(yīng)力和膜應(yīng)力均存在。在加勁環(huán)處的鋼襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中點(diǎn)上應(yīng)力值很高，而在鋼襯結(jié)構(gòu)的其他部位的應(yīng)力值較低；加勁環(huán)結(jié)構(gòu)尖角處的應(yīng)力集中點(diǎn)上應(yīng)力值很高， 而其他部位的應(yīng)力值較低；斷面各角點(diǎn)處常出現(xiàn)應(yīng)力集中，鋼襯角點(diǎn)處應(yīng)力很容易超過鋼材的允許應(yīng)力。

（3）改進(jìn)方案相較于初始方案，取消了弧面連接段的縱向肋板，連接處的鋼板材料得到發(fā)揮，結(jié)構(gòu)更加合理，同時(shí)用鋼量減少了1%，為今后類似工程提供借鑒。