水電站卜形月牙肋鋼岔管抗震性能分析

趙 飛，范書(shū)立

(1.應(yīng)急管理部國(guó)家減災(zāi)中心，北京 100124；2.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

鋼岔管是水電站引水發(fā)電建筑物的重要組成部分，在高內(nèi)水壓力下極易產(chǎn)生不均勻變形，從而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為改善岔管結(jié)構(gòu)的受力特征，常在鋼管交叉部位增設(shè)月牙肋，增設(shè)的月牙肋同時(shí)改變了管內(nèi)水流，減少了水頭損失，是國(guó)內(nèi)外水電工程中采用較多的一種優(yōu)化岔管措施[1-3]。因月牙肋岔管結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜，在水流、水壓及地震等多種荷載作用下，岔管結(jié)構(gòu)變形及受力狀態(tài)極為復(fù)雜。由于理論分析中很多問(wèn)題沒(méi)有很好的解決需要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型從而引起不確定性，包括邊界條件、本構(gòu)關(guān)系等等，使得傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法很難精確地獲得岔管管壁及月牙肋的整體應(yīng)力分布，從而對(duì)其體型進(jìn)一步優(yōu)化[4-5]。

針對(duì)岔管的復(fù)雜空間受力特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將有限元軟件引入三維輔助設(shè)計(jì)，大大增加了岔管受力分析結(jié)果的精度[6-8]。一些學(xué)者和工程師[9-11]采用CATIA對(duì)月牙肋岔管進(jìn)行了三維化參數(shù)設(shè)計(jì)，并將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行受力分析，從而確定的岔管最優(yōu)體型。通過(guò)三維有限元法對(duì)鋼岔管進(jìn)行變形及應(yīng)力分析，可以為設(shè)計(jì)工程師提供重要的參考依據(jù)?？讜躁?yáng)[12]通過(guò)三維有限元分析優(yōu)化阿爾塔什水電鋼岔管的岔角，確定了最終的體形?；矢σ粷傻萚13]開(kāi)展了鋼岔管的彈塑性有限元分析，得到月牙肋板和管殼壁相貫線(xiàn)最高點(diǎn)內(nèi)壁處的塑性區(qū)較大的結(jié)論，并評(píng)價(jià)了鋼岔管塑性區(qū)的發(fā)展程度。薛超[14-15]利用Solidworks對(duì)遼寧省某輸水隧洞進(jìn)口三岔形岔管進(jìn)行了計(jì)算，優(yōu)化了三岔形岔管的體型。羅全勝等[16]通過(guò)接觸面模型研究了岔管與圍巖間隙對(duì)“Y”形月牙肋岔管管殼應(yīng)力的影響。蘇凱等[17]對(duì)水電站月牙肋岔管的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)分析，詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)在岔管設(shè)計(jì)研究中取得的豐碩成果。雖然目前對(duì)月牙肋岔管的設(shè)計(jì)研究開(kāi)展了大量的工作，并積累了豐富工程經(jīng)驗(yàn)，但是月牙肋岔管的抗震性能一直沒(méi)有被設(shè)計(jì)研究人員完全熟知和重視。

本文采用大型有限元軟件對(duì)月牙肋岔管在地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，研究了月牙肋岔管的動(dòng)態(tài)特征及抗震性能，分析了月牙肋岔管的抗震薄弱環(huán)節(jié)以及影響因素，為工程設(shè)計(jì)人員從抗震角度優(yōu)化月牙肋岔管設(shè)計(jì)提供參考。

1 岔管有限元模型及分析方法

某水電站引水發(fā)電隧洞出口段采用“一管三機(jī)”的布置形式，出口明管段長(zhǎng)45 m，鋼管內(nèi)徑7 m，外包混凝土C25鋼筋混凝土，混凝土厚度為1.2 m。

通過(guò)布設(shè)兩個(gè)岔管將一根主管分為三根支管，岔管采用非對(duì)稱(chēng)內(nèi)加強(qiáng)月牙肋“卜”形岔管，岔管直徑為3.6 m。月牙肋岔管外包鋼筋混凝土厚度為1.8 m，支管外包鋼筋混凝土厚度為0.8 m。

壓力鋼管主管及支管采用16MnR鋼，主管厚度為28 mm，支管厚度為18 mm。岔管管殼及肋板采用WDL610D鋼。1號(hào)岔管管殼厚度為30 mm，月牙肋板厚度為60 mm，兩根支管的內(nèi)徑分別為5.3 m和3.6 m。2號(hào)岔管管殼厚度為24 mm，月牙肋板厚度為50 mm，兩根支管的內(nèi)徑均為3.6 m。岔管內(nèi)壁采用噴鋅防腐，外壁采用水泥漿防腐。

1.1 岔管有限元模型

本次分析有限元模型如圖1所示，為減少邊界條件對(duì)壓力鋼管的影響，模擬了部分山體及廠(chǎng)房邊墻，整個(gè)模型順?biāo)鞣较?X向)長(zhǎng)60 m，豎向(Y向)高25 m，橫水流方向(Z向)長(zhǎng)70 m。模型共95萬(wàn)個(gè)單元，40萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 計(jì)算分析有限元模型

山體及混凝土采用三維實(shí)體單元模擬，壓力鋼管及月牙肋采用曲面殼單元將結(jié)構(gòu)劃分為四邊形網(wǎng)格，壓力鋼管加勁環(huán)采用梁?jiǎn)卧M，外包混凝土和鋼管之間假定為剛性連接，不考慮混凝土和鋼管之間的滑移。

模型底面采用全約束，上游和左右山體截?cái)噙吔绮捎梅ㄏ蚣s束。山體巖石、鋼筋混凝土以及壓力鋼材均假定為線(xiàn)彈性材料，各種材料的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各材料力學(xué)性能參數(shù)

1.2 計(jì)算荷載及工況

該水電站引水發(fā)電建筑物抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[18](GB 18306—2015)，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.4g。同時(shí)采用擬靜力法和振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算其地震反應(yīng)。采用擬靜力法計(jì)算時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)水平向地震慣性力代表值按下式計(jì)算：

Ei=ahξGEiαi/g

(1)

式中：Ei為作用在質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值；ah為水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值；ξ為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取0.25；GEi為作用在質(zhì)點(diǎn)i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值；αi代表質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)；g為重力加速度。

本次計(jì)算考慮了正常運(yùn)行工況和地震工況兩種情況。正常運(yùn)行工況考慮壓力鋼管以及外包鋼筋混凝土的自重，壓力管道中心內(nèi)壓水頭為100 m，考慮水壓沿管道高度分布影響。地震工況除考慮正常運(yùn)行工況的荷載以外，同時(shí)考慮考慮三向(順?biāo)飨?橫水流向+豎向)地震動(dòng)作用。

2 計(jì)算結(jié)果分析

按《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》[19](NB/T 35056—2015)分析壓力鋼管在地震作用下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。規(guī)范規(guī)定各點(diǎn)的應(yīng)力按照第四強(qiáng)度理論計(jì)算，應(yīng)滿(mǎn)足公式(2)的要求：

(2)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，靜力工況取為1.0，地震工況取為0.8；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，管壁取1.76，月牙肋板取1.43；f為鋼材強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值。

2.1 靜力工況分析

在靜力荷載作用下，岔管的Mises應(yīng)力分布如圖2所示。從應(yīng)力云圖上可以看出，正常運(yùn)行時(shí)在主管和支管連接部位存在局部高應(yīng)力區(qū)，越靠近焊縫部位，應(yīng)力值越大。對(duì)肋板而言，越靠近中間部位，應(yīng)力越大。整個(gè)岔管最大應(yīng)力為34.8 MPa，出現(xiàn)在1號(hào)岔管肋板中間部位，遠(yuǎn)小于WDL610D鋼的允許應(yīng)力。相對(duì)1號(hào)岔管而言，2號(hào)的應(yīng)力分布和1號(hào)岔管相似，但是應(yīng)力水平小于1號(hào)岔管。

圖3為靜力荷載作用下鋼岔管外包混凝土的第一主應(yīng)力云圖，可以看出在靜水壓力作用下整個(gè)外包混凝土均處于受拉狀態(tài)，從管內(nèi)向外拉應(yīng)力水平逐漸減少。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在主管和支管連接部位，最大值達(dá)到了3.42 MPa。因此，在這些部位應(yīng)采用高強(qiáng)混凝土。

圖2 靜力荷載作用下岔管等效應(yīng)力云圖

圖3 靜力荷載作用下外包混凝土第一主應(yīng)力云圖

2.2 岔管動(dòng)態(tài)特征分析

表2為壓力鋼管的前十階振動(dòng)頻率。整體而言，相對(duì)其它水工建筑物，由于壓力鋼管被鋼筋混凝土包裹，軸線(xiàn)以下又受到周?chē)襟w約束，其振動(dòng)頻率較高，第一階頻率達(dá)到了38.77 Hz，遠(yuǎn)大于各類(lèi)場(chǎng)地地震波的特征頻率。

圖4為壓力鋼管及岔管、肋板局部部位的前三階陣型圖。從第一階振型可以看出，整個(gè)壓力鋼管結(jié)構(gòu)由于主管埋在山體中，支管的直徑較小，相對(duì)而言主管和支管岔管部位橫軸向振動(dòng)幅度較大，而由于肋板橫向剛度較小，兩個(gè)岔管的肋板均為大幅橫向振動(dòng)。第二階振型是廠(chǎng)房擋墻帶動(dòng)壓力鋼管的縱向振動(dòng)，在中間支管及岔管部位振動(dòng)較為明顯，兩個(gè)肋板仍以橫向振動(dòng)為主。第三階振型則以1號(hào)岔管肋板的橫向振動(dòng)為主，2號(hào)岔管的肋板及壓力鋼管振動(dòng)幅度較小。

表2 壓力鋼管前十階頻率

圖4 壓力鋼管及局部前三階陣型圖

2.3 抗震性能分析

圖5為采用擬靜力法得到的岔管在靜力荷載和地震荷載共同作用下的應(yīng)力分布云圖。相對(duì)于靜力工況而言，在地震作用下岔管的應(yīng)力水平及分布沒(méi)有出現(xiàn)較大的變化，應(yīng)力最大值增大了約14.4%。在主管和支管焊接部位仍是高應(yīng)力區(qū)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在1號(hào)岔管肋板中間部位，為35.3 MPa，遠(yuǎn)小于WDL610D鋼的允許應(yīng)力。2號(hào)岔管及肋板的應(yīng)力水平和分布相對(duì)靜力情況變化更小，僅增大了約0.1 MPa。

圖6為采用振型分解反應(yīng)譜法獲得的岔管的應(yīng)力云圖。從前一節(jié)岔管的動(dòng)態(tài)特性分析可知，岔管的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于各類(lèi)場(chǎng)地地震波的特征頻率，地震荷載對(duì)岔管的應(yīng)力分布影響較小。而岔管的前三階振型中，肋板均有相對(duì)較大幅度的振動(dòng)，肋板的地震反應(yīng)較大。與靜力工況相比，在地震荷載作用下，1號(hào)岔管肋板的最大應(yīng)力由34.8 MPa增大到42.6 MPa，增大了22.4%；2號(hào)岔管肋板的最大應(yīng)力增大了5.2 MPa。

采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算時(shí)由于考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，從圖6岔管的應(yīng)力分布云圖中可以看出，相對(duì)于擬靜力的計(jì)算結(jié)果，岔管整體應(yīng)力偏大，肋板除了在中間部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力外，在肋板根部也存在較高的應(yīng)力集中。

圖5 動(dòng)力荷載作用下岔管等效應(yīng)力云圖(擬靜力法)

圖6 動(dòng)力荷載作用下岔管等效應(yīng)力云圖(反應(yīng)譜法)

2.4 外包混凝土應(yīng)力分析

圖7為靜力荷載和地震荷載共同作用下外包混凝土的應(yīng)力云圖。采用擬靜力法考慮地震荷載時(shí)，外包混凝土的主拉應(yīng)力比靜力情況下增大了0.35 MPa。采用反應(yīng)譜法考慮地震荷載時(shí)，外包混凝土的主拉應(yīng)力比靜力工況增大了0.67 MPa，相對(duì)于肋板而言，外包混凝土在地震荷載作用下產(chǎn)生的振動(dòng)幅度較小。因此，最大拉應(yīng)力增大的幅度也相應(yīng)比肋板低。

圖7 動(dòng)力荷載作用下外包混凝土第一主應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

本文采用有限元法對(duì)某水電站的“Y”形岔管進(jìn)行了計(jì)算分析，研究了其在正常運(yùn)行時(shí)及地震荷載用下的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)比了不同計(jì)算方法對(duì)到地震作用下岔管應(yīng)力的影響，通過(guò)計(jì)算分析得到以下結(jié)論：

(1) 在正常運(yùn)行時(shí)及遭遇地震荷載時(shí)，該水電站的岔管應(yīng)力遠(yuǎn)小于WDL610D鋼的允許應(yīng)力，具有較高的安全裕度。

(2) 岔管的振動(dòng)頻率相對(duì)各類(lèi)場(chǎng)地地震波的特征頻率偏大，相對(duì)靜力荷載工況，考慮地震荷載后岔管應(yīng)力增加較小。

(3) 由于振型分解反應(yīng)譜法考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，得到岔管的動(dòng)力反應(yīng)結(jié)果比擬靜力法大，肋板應(yīng)力分布也有較大的差異。

(4) 岔管的抗震安全性能較好，但在肋板中間部位存在高應(yīng)力區(qū)，在肋板和岔管的焊接部位動(dòng)應(yīng)力較大，是岔管的抗震薄弱部位。

(5) 在靜水壓力作用下外包混凝土整體處于受拉狀態(tài)，在主管和支管連接部位拉應(yīng)力較大，應(yīng)提高該部位的混凝土抗拉強(qiáng)度。相對(duì)于肋板而言，地震引起的混凝土振動(dòng)幅度較小，地震引起的外包混凝土主拉應(yīng)力增大幅度也較小。