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中國正在建設(shè)和將要建設(shè)一批巨型水電站工程，如三峽、龍灘、小灣、拉西瓦、溪洛渡等，單機容量均為700MW級，壓力管道和蝸殼等引水系統(tǒng)的尺寸巨大，HD(設(shè)計水頭與鋼蝸殼進口管徑之積)值高。例如，三峽水輪機蝸殼平面最大寬度為34.325m，水輪機鋼蝸殼進口直徑達12.4m、進口斷面設(shè)計內(nèi)水壓力為1.395MPa(含水錘壓力)，HD值將達到1730m2，是世界上混流式水輪機尺寸最大的蝸殼。目前，國內(nèi)外大中型中高水頭機組廠房蝸殼埋設(shè)方式主要采取三種方案：(1)在鋼蝸殼外上部一定范圍內(nèi)鋪設(shè)軟墊層后澆筑外圍混凝土，簡稱墊層方案；(2)鋼蝸殼在充水并保持一定的壓力水頭下澆筑外圍混凝土，簡稱保壓方案；(3)鋼蝸殼外直接澆筑混凝土，蝸殼與外圍混凝土完全聯(lián)合承載，簡稱直埋方案。這三種蝸殼埋設(shè)方式各有特點，在國內(nèi)外均有不少成功應(yīng)用的實例。對于HD值特別高的蝸殼結(jié)構(gòu)，國外采用保壓方案(如伊泰普水電站和大古力水電站等)和直埋方案(如前蘇聯(lián)的薩揚舒申斯克水電站等)的相對較多，國內(nèi)多采用墊層方案，單機容量最大的為李家峽水電站。以后更大的工程，如二灘、三峽左岸電站、小灣以及所有大型抽水蓄能電站，均采用了保壓方案，對此已有較多的研究。廣義的水輪機流道結(jié)構(gòu)包括從廠壩間伸縮節(jié)或止推環(huán)以后的蝸殼進口段、蝸殼、座環(huán)和座環(huán)立柱等組成的引水與導(dǎo)水系統(tǒng)。流道結(jié)構(gòu)除承受巨大的內(nèi)壓水頭外，還與外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同組成機組的下部支撐體系，承受徑向不平衡力和豎向荷載，同時還承受較大的切向水力不平衡推力。因此，如何保證流道結(jié)構(gòu)的剛度和強度安全，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，對于保證機組的安全穩(wěn)定運行具有重要意義，成為巨型工程迫切需要研究解決的課題之一。
蝸殼是不完全軸對稱的、內(nèi)側(cè)開口的半封閉蝸形結(jié)構(gòu)，內(nèi)水壓力的合力不為零，在進口段會產(chǎn)生一個較大的軸向水推力，相對于機組中心豎軸則是一個較大的扭矩。在其作用下，蝸殼可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，從而影響到機組的運行穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。不同的蝸殼埋設(shè)方式以及是否設(shè)置伸縮節(jié)與止推環(huán)，由于蝸殼與外圍混凝土的接觸約束條件不同，變形特性也會產(chǎn)生差異。國內(nèi)過去對墊層蝸殼做過大量的研究，但對于巨型工程近年來的研究相對較少，直埋方案的研究相對更少。本文試圖利用全三維數(shù)值模擬有限元分析方法，以某巨型工程為計算實例，重點探討采用不同埋設(shè)方式，是否設(shè)置伸縮節(jié)與止推環(huán)，對巨型蝸殼的受力特征和變形特性的影響規(guī)律，為巨型蝸殼埋設(shè)方式的優(yōu)化選擇提供參考。
對于結(jié)構(gòu)體型和組成異常復(fù)雜的蝸殼結(jié)構(gòu)，有限元法數(shù)值模擬成為首選的分析工具。當(dāng)采用墊層蝸殼方案時，鋼板外圍一部分與墊層接觸，一部分與混凝土接觸，并由于材料間存在著摩擦特性，會造成一定的滑移和切向、徑向傳力的不均勻。因此，采用摩擦接觸問題進行模擬是必要的。
由于澆注時的冷縫和鋼板沒有加勁環(huán)等錨固件的存在，蝸殼鋼板與外圍混凝土之間的結(jié)合形式，不屬于固定連接或鉸接，而應(yīng)屬于面-面接觸問題。這類問題的特點是具有單邊約束和未知接觸區(qū)域，接觸區(qū)域的確定依賴于加載方式、荷載水平、接觸面性質(zhì)等因素，屬于邊界待定非線性問題。鑒于蝸殼的受力特點，其面接觸主要是法向壓力接觸和切向摩擦接觸，可以構(gòu)建三維接觸單元進行模擬。其求解方法主要包括直接迭代法和接觸約束算法(拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法以及擴展的拉格朗日法)。
本文以ANSYS大型結(jié)構(gòu)分析軟件作為平臺。ANSYS支持三種接觸方式：點-點、點-面、面-面的接觸，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問題。本文采用面-面接觸單元，其具有如下優(yōu)點：與低階和高階單元都兼容；支持有大滑動和有摩擦的大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計算，單元提供不對稱剛度陣的選擇；提供工程適用的更好的接觸結(jié)果，易于進行接觸壓力和摩擦應(yīng)力的后處理；能考慮殼和梁的厚度及殼厚度的改變；半自動接觸剛度計算。計算中采用ANSYS的四結(jié)點四邊形單元target170模擬“目標面”，四結(jié)點四邊形單元contact173模擬“接觸面”，采用擴展的拉格朗日乘子法進行接觸問題的求解。
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