三峡水电站坝后钢衬钢筋混凝土

电力18讯：    1 前　言
　 三峡水电站坝后式厂房引水系统采用浅槽式钢衬钢筋混凝土管道结构，管道内缘布置有钢板衬砌，外包普通混凝土且在其内布置有三层环向受力主筋和沿管道径向布置若干纵向构造筋。目前，对于浅槽式钢衬钢筋混凝土管道这类非杆系结构尚无成熟的内力或应力计算公式，且其内包含有三种以上不同材料，若考虑材料的非线性特征和结构的弹塑性性质，则将使内力或应力计算更为复杂。本文采用钢筋混凝土非线性有限元数值计算方法，通过自行开发的软件RCNFEM对三峡电站钢衬钢筋混凝土压力管道结构进行了计算。本方法能考虑材料的非线性特征，且可分别求得钢衬和钢筋在设计内水压下的应力，以及相应的开裂内水压强。
2 非线性有限元程序RCNFEM简介
　 钢筋混凝土非线性有限元程序RCNFEM的理论基础和开发环境简介如下。
2．1　材料本构关系
2．1．1　混凝土材料
　 混凝土材料采用正交异性本构关系，即假定混凝土材料沿主应力方向是正交异性的。材料常数根据试验并参考有关规范取值，进行等效单向化处理，混凝土受压时的应力―应变关系采用Saenz曲线，其表达式为：
            
                                    Ec=ρic/εic
式中
　　 i――主应力方向，i＝1，2；
    εic――最大压应力所对应的混凝土极限压应变，一般取为0.002;
    εic――等效单向应变；
    Eo――初始弹性模量；
    Ec――最大压应力所对应的割线模量。　
    混凝土受拉时的应力―应变关系按理想弹塑性考虑。本文计算以混凝土极限拉应变作为开裂控制条件,取为0.0001。
   混凝土应力―应变关系示意图如图1所示。


2．1．2　钢　材
   钢筋和钢板的应力―应变关系采用理想弹塑性模型，其表达式为：　　
                              

式中　 Es―――钢材弹性模量，MPa；
       σs―――钢材应力，MPa；
       fy―――钢材屈服强度或设计强度，MPa。
　  钢材应力―应变关系示意图如图2所示。



2．2　非线性问题解法
　 计算中仅考虑材料的非线性特性，由于需要了解结构在加载历史全过程的荷载效应，非线性计算采用增量迭代法。
2．3　单元模型及网格部分
　 混凝土用三角形单元，钢材用轴力杆单元。为提高计算精度并考虑主要关心的管道部分荷载效应，采用局部加密网格技术。管道划分720个单元，钢材用76个单元，单元总数958。网格剖分见图3。



3 计算方案与结果
   计算的基本数据选自长江水利委员会提供的《长江三峡水利枢纽电站压力管道优化设计报告》。根据钢衬的材质、厚度和钢筋配置，共进行了30种方案的计算。计算中未扣除钢衬的锈蚀厚度，未考虑由于温度荷载和施工等因素所产生的钢衬与钢筋混凝土间的缝隙。
3．1　计算荷载及分级
   确良计算荷载取用175.0m水位和180.4m水位所对应的内水压设计值，按10级增量进行迭代计算，各断面内水压设计值见表1。
　　          
3．2 计算几何参数
　 计算断面为四个，分别为上弯段，斜直Ⅰ段、斜直Ⅱ段和下弯段，各断面钢材配置见表2。
               

3.3  材料力学参数
   钢材设计强度见表3,材料弹性模量见表4

            
   在设计内水压作用下，钢材应力的混凝土的应力分别见表5和6。




4 计算结果分析
　 分析表5、表6可看出，钢衬钢筋混凝力压力管道的受力特性有如下特点：
　 (1)当内水压P满足关系式0＜P＜0.39MPa时，管道中钢衬、钢筋和混凝土材料处于弹性阶段，它们能较好地共同工作。混凝土中最大拉应力位于管道顶部内边缘，其值约为1.5MPa，接近混凝土极限拉伸强度1.55MPa。
　 (2)当内水压P满足关系式0.39≤P≤0.44MPa时，管道内侧顶部混凝土可能开裂。
　 (3)在