1、地下埋藏式钢岔管三维有限元分析64第 3O 卷第 3 期2006 年 6 月 20 日水电自动化与大坝监测HydropowerAutomationandDamMonitoringVo1.3ONO.3June20,2006地下埋藏式钢岔管三维有限元分析丛培江,包腾飞,于鹏(河海大学水利水电工程学院,江苏省南京市 210098)摘要:结合某抽水蓄能电站的地下埋藏式钢衬钢筋混凝土岔管工程实例 ,采用Marc 有限元软件,对钢岔管与围岩联合承载进行数值模拟.通过三维有限元线性和非线性计算,考虑了初始地应力,开挖支护引起的二次应力,以及钢衬与混凝土垫层间的初始缝隙对钢岔管受力和变形的影响,分析了岔洞开挖
2、,支护及充水运行等工况下,钢衬,混凝土衬砌,围岩的应力和变形,得出了一些对工程有意义的结论.关键词:埋藏式钢岔管;钢衬;围岩;有限元法中图分类号:TV732.40 引言现行规范1 规定“ 地下埋管结构分析中应由钢管,混凝土衬砌,围岩共同承受内水压力,并考虑三者之间存在缝隙“.若有足够的埋深 ,可以计入围岩抗力,按照直管段来估算钢岔管所承担的内水压力,并按明钢岔管进行设计.由于地下埋藏式钢衬钢筋混凝土岔管材料和荷载效应的复杂性,现行的设计方法没有考虑岔管的几何特征,对于钢岔管与围岩之间荷载分配比例的处理过于粗糙,无法真实反映钢岔管,混凝土衬砌,围岩的联合受力特性.有限元分析方法能够较好地分析形状
3、复杂,非均质的工程结构,可以在计算中模拟各种复杂的材料本构关系,荷载和条件,而且大型有限元软件 Marc 具有良好的前后处理功能,能够用图形显示计算结果.因此,采用三维有限元仿真分析地下埋藏式钢岔管在不同工况下的应力和变形特性,就显得尤为重要.1 三维有限元分析方法1.1 基本假定由于地下埋藏式岔管材料的复杂性,现行的各种本构关系以及钢衬,钢筋混凝土衬砌,围岩之间的交互作用,都是在模型试验的基础上,基于一定的简化和假设建立起来的.目前工程实用的地下埋藏式岔管基本假定为:围岩,回填混凝土为均质各向同性的弹塑性介质;钢岔管与外围回填混凝土之间的初始缝隙均匀;钢岔管外混凝土回填之前,围岩收稿日期:2
4、005 一 l114;修回日期:200601-06.国家自然科学基金重点资助项目(50139030);国家重点基础研究发展规划资助项目(2O02CB4127O7).变形已全部完成,不考虑围岩对钢岔管的变形压力;围岩与回填混凝土之间无径向缝隙,完全接触;在内水压力作用下,钢岔管外的混凝土开裂均匀,采用均布裂缝模型模拟.1.2 单元类型采用 8 节点实体单元模拟围岩及混凝土衬砌,局部区域采用四面体,五面体单元;钢岔管属空间壳体结构,采用四边形板壳单元模拟;在钢衬和混凝土衬砌之间设置间隙(gap)单元来模拟钢衬和混凝土衬砌之间的接触缝隙.1.3 分析方法1.3.1 地下埋藏式岔管开挖支护分析在围岩开
5、挖过程中,作用于洞壁围岩的主要荷载是洞室岩体中的初始地应力及洞室开挖边界的卸荷回弹形成的二次应力.通过单元生和死模拟开挖支护过程.1.3.2 钢岔管,围岩及混凝土本构模型钢岔管采用 Mises 准则2,可用下式表示:F(J2)一一(1)式中:为单轴受压时的屈服强度(应力),表示在复杂应力状态下,当等效应力达到单轴受压的屈服应力时,材料即屈服;为 Mises 等效应力,一瓜一S 为偏应力张量不变量 .混凝土采用线性 DruckerPrager 屈服函数,假设它是静水压力的线性函数,可用下式表示:F 一3aI1 一/3J2 一一 0(2)式中:盎一a?大坝安全监控技术? 丛培江 ,等地下埋藏式钢岔
6、管三维有限元分析 659CCOS0一 idr 为初始屈服应力;为内摩擦角;c 为凝聚力.混凝土线弹性分析中,采用线弹性模型,不考虑混凝土开裂.在线弹性分析所得应力基础上,通过调整混凝土的软化模量及剪应力残余系数,模拟钢筋与混凝土界面之间的黏结滑移行为,采用均布裂缝模型模拟混凝土的开裂.围岩采用理想弹塑性模型,屈服条件为DruckerPrager 准则.1.3.3 钢岔管与外围混凝土之间缝隙的模拟利用间隙单元模拟钢岔管与外围混凝土之间的缝隙.间隙单元用于描述点对点的接触行为,只有当间隙单元连结的节点开度 h 一 0 时,即接触发生后,节点之间才传递力;否则,节点之间不传递力.假定在模拟接触过程中
7、,点对点的间隙单元作用力方向始终保持不变.采用 Marc 有限元软件中的固定距离间隙(fixeddirectiongap)方式定义间隙单元,2 节点之间的连线方向即为间隙单元的作用力方向.2 工程实例2.1 工程概况某抽水蓄能电站引水钢岔管为 Y 形岔管,主洞直径 5.50m,支洞直径 4.24rfl,最大公切球直径6.60m,钢岔管分岔角 7O.,钢岔管管壁厚度50mm,月牙肋的厚度 120mm,混凝土衬砌厚度0.8m.围岩岩质坚硬,岩体完整性较好.引水岔洞围岩采用高压固结灌浆,衬砌与围岩间顶拱作回填灌浆.材料参数见表 1.表 1 材料参数材料名称抗拉强度/MPa 内摩擦角/(.)凝聚力/M
8、Pa 容重 /(kg?rn 一.)钢衬 610 一一一混凝土 1.3551.32400围岩 5.0481.22650注:钢岔管整体膜应力区允许应力 211.8MPa,局部应力区允许应力308.0MPa,肋板允许应力 260.6MPa.2.2 计算模型计算范围取高 60m,宽 68m,顺水流方向65m.模型边界条件为侧面及底面施加法向连杆约束.模型采用笛卡儿直角坐标系,x 轴为顺水流方向,z 轴为铅直方向 ,向上为正 ,y 轴以右手法则确定.计算模型总节点数 28792,总单元数 26771.其中:钢衬单元数 936,月牙肋单元数 12,混凝土衬砌单元数 3744,围岩单元数 21180,间隙单
9、元数899.整体计算网格剖分见图 1,钢岔管网格剖分见图 2.图 1 模型整体网格剖分图 2 钢岔管网格剖分荷载工况为正常蓄水位,运行时机组因故紧急关机情况;荷载组合为衬砌自重+内水压力(含水击压力),在计算中所加的内水压力为 11.0MPa.计算中初始应力场仅考虑岩体 tt 重产生的应力,侧压力系数 k 取 1.2.在计算岩体自重应力时,考虑山体的地形情况,tt 重应力等于该点埋深乘以岩体的容重.2.3 有限元分析成果2.3.1 开挖支护分析引水岔洞采用一次性全断面开挖3.初始地应力场分布为:铅直方向(Z 向)地应力一 8.66MPa一7.3OMPa,顺水流方向(X 向)地应力为一8.35M
10、Pa一 7.33MPa,岔管两侧(y 向)地应力一17.28MPa一 15.128MPa.岔洞开挖后,形成二次应力场,围岩基本上处于三向受压状态,在岔档附近区域约达 3OMPa,低于围岩的抗压强度,是稳定的.邻近洞壁的一圈岩体单元进入塑性状态,岔洞顶部和底部中点单元最先进入屈服状态.岔档附近区域应力较大,其塑性区域较主,支洞部位的塑性区深度大.距中心约 20m 处接近原始地应力.岔洞开挖后,洞室围岩位移总体朝向洞内.岔洞顶部,底部位移(Z 向)为一 6.55mm6.72mm,66 拉电自化与夫坝监洲最大位移出现在岔档处洞的顶部和底部;岔洞两侧位移(y 向) 为一 6.19mm8.41mm,最大
11、位移出现在岔档腰部中点处;管轴线方向位移(X 向)为一5.04mm3.95mm.由于初始地应力场 y 方向的应力较铅直方向的应力大,开挖后岔洞腰部中点水平方向的变位较洞顶部和底部的变位要大.2.3.2 充水运行分析根据水电站压力钢管设计规范,将施工缝,钢管冷缩缝和围岩冷缩缝相加,即可得到本工程地下埋藏式钢岔管的总缝隙值为 1.26mm,引水岔管最大内水压力为 11MPa.分别进行三维有限元弹性及弹塑性分析,分析钢岔管,混凝土垫层以及围岩的应力状态.表 2,表 3 分别为弹性,弹塑性计算结果统计.表 2 弹性计算结果统计占位钢衬 Mises“应力 /MPa混凝土ABC主管支管 1支管 2270.
12、4151.4173.217519518O193185210肋板 11O1803.86一 2.986.31一 4.9110.20一 7.446.24一 4.555.41一 3.393.84一 3.12ABC主管支管 1支管 2肋板图 3 为控制点位置示意图,图 4,图 5 分别为钢岔管弹性,弹塑性 Mises 等效应力云图.图 3 钢岔管控制点位置示意图27042506230721o9191O1712151313141116917图 4 钢岔管弹性计算 Mises 等效应力云图(单位 MPa)图 5 钢岔管弹塑性计算 Mises 等效应力云图(单位 MPa)从表 2,表 3 及图 4,图 5 可
13、以看出:1)弹性分析 :钢岔管的肋板和管壳的连接处,钝角区母线转折处等几何突变部位有不同程度的应力集中,局部区域等效应力达到 270.4MPa,小于允许应力 308.0MPa.肋板处的等效应力为 110MPa180MPa,小于允许应力 260.6MPa.混凝土垫层最大主拉应力达到 28.37Mpa,实际上混凝土的抗拉强度远小于这一数值,说明混凝土垫层已进入了塑性状态,混凝土已经开裂.因此,需对埋藏式岔管的应力情况进行弹塑性分析.2)弹塑性分析:在肋板和管壳的连接处,钝角区母线转折处等几何突变部位的等效应力最大可达310.4MPa,稍大于允许应力 308.0MPa.肋板处的等效应力为 140MP
14、a230MPa,小于允许应力260.6MPa.混凝土垫层大部分区域处于三向受压状态,仅在岔档附近区域存在拉应力,最大主拉应力2.67MPa,出现在主管与支管的交叉部位.主管,支管段衬砌开裂,混凝土垫层基本上都进入了塑性状态.3)弹性计算结果与弹塑性计算结果的比较:相比而言,弹塑性计算得到的混凝土垫层的拉应力远(下转第 74 页)4433222他 074 水电自让与夫坝皿测 2006,30(3)持系统,防汛指挥系统等多个系统在功能上既有区别又有很强的联系,如何进行有效的集成,实现各个系统功能的互补和提升,也需要继续研究.参考文献1郭生练.水库调度综合自动化系统.武汉:武汉水利电力大学出版社,19
15、99.2张建云.水文现代化及其目标和任务.中国水利,2003(23):3840.E3张炜,周志琦 .客户服务中心在邮电行业中的应用.邮电设计技术,1999(11):26 29.4张璞,任岗 ,李扬.呼叫中心在气象系统中的应用研究.新疆气象,2003,26(3):26 27.5郭生练,彭辉 ,王金星,等.水库洪水调度系统设计与开发.水文,2001,21(3):4-7.E6王京,赵晓华 ,孙亮,等.Cisco 客户关系管理系统的开发.计算机工程,2002,28(8)t243 245.7张望,古钟璧 ,郭培峰.呼叫中心在安全监控系统中运用的研究.信息安全与通信保密,2003(9):4952.E8邱伟
16、,李传林 .用语音卡构筑小型 CTI 应用系统.计算机应用与软件,2003,20(9):48 49.肖义(198O 一), 男,博士研究生 ,研究方向为水文学及水资源开发利用.Email:CTITechnologybasedFloodRiskWarningSystemforReservoirsXIAOYi,GUOShenglian,CHENHua,DAIZiqiu,LUOZheng(WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:Afloodriskwarningsystembasedonthecomputertelephoneintegration(CT
17、I)technologyisdesigned.Onthebasisofthefloodforecastandcontrolsystemforreservoirs,theconceptandfunctionsofcallcenterareintroduced.ByuseoftheCTItechnology,thecallcenteriscombinedwiththefloodforecastandcontrolsystemfortheconstructionofapublicorientedfloodriskwarningsystem.Thestructureandfunctionsoftheproposedsystemaredescribedindetail.Keywords:reservoir;floodriskwarningsystem;computertelephoneintegration(CTI)technology:floodforecastandcontrolsystem;cal1center
