实现充水保压蜗壳课件.pptx

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1、第一节第一节 主厂房的结构布置设主厂房的结构布置设计计 水水电电站站厂厂房房的的结结构构组组成成第1页/共83页水电站厂房的结构组成及作用水电站厂房的结构组成及作用上部结构：上部结构：屋盖结构：屋面板、屋架或屋面大梁；屋盖结构：屋面板、屋架或屋面大梁；吊车梁；吊车梁；排架柱；排架柱；发电机层、装配场层楼板；发电机层、装配场层楼板；厂房围护结构、墙、抗风柱、圈梁与连系梁。厂房围护结构、墙、抗风柱、圈梁与连系梁。上部结构为板、梁、柱系统。上部结构为板、梁、柱系统。第2页/共83页下部结构：下部结构：机墩机墩蜗壳、水轮机座环蜗壳、水轮机座环尾水管尾水管 基础混凝土及上、下游承重墙基础混凝土及上、下游

2、承重墙第3页/共83页(一一)上部结构上部结构1、屋顶（屋盖结构）：围护和承载，包括：、屋顶（屋盖结构）：围护和承载，包括：(1)屋屋面面板板：隔隔热热、遮遮阳阳、避避风风雨雨；直直接接承承受受屋屋面面荷载，如风、雪和自重等，传给屋架或屋面大梁。荷载，如风、雪和自重等，传给屋架或屋面大梁。材材料料：预预制制钢钢筋筋混混凝凝土土大大型型屋屋面面板板+隔隔热热层层+防防水水层层+保护层保护层(2)屋屋架架或或屋屋面面大大梁梁。承承受受屋屋面面板板传传来来的的全全部部荷荷载载及自身重量，传至排架柱或壁柱。及自身重量，传至排架柱或壁柱。第4页/共83页2、排架柱、排架柱承承受受屋屋架架或或屋屋面面大大

3、梁梁、吊吊车车梁梁、外外墙墙传传来来的的荷荷载载和和排排架架柱柱自自重重，并并将将它它们们传传给给厂厂房房下下部部结结构构的大体积混凝土。的大体积混凝土。3、吊车梁、吊车梁承承受受吊吊车车荷荷载载（包包括括起起吊吊部部件件在在厂厂房房内内部部运运行行时时的的移移动动集集中中垂垂直直荷荷载载），以以及及吊吊车车在在起起重重部部件件时时，启启动动或或制制动动时时产产生生的的纵纵、横横向向水水平平荷荷载载，并将它们传给排架柱。并将它们传给排架柱。第5页/共83页排架柱的布置：排架柱的布置：柱距尽量统一，分缝处一般设双梁双柱；柱距尽量统一，分缝处一般设双梁双柱；立柱最好不要直接落在尾水管顶板或钢管上；

4、立柱最好不要直接落在尾水管顶板或钢管上；横梁和立柱截面尺寸由强度要求初估。横梁和立柱截面尺寸由强度要求初估。第6页/共83页4、发电机层和安装间楼板、发电机层和安装间楼板发发电电机机层层楼楼板板承承受受着着自自重重、机机电电设设备备静静荷荷载载和和人人的的活活荷荷载载，传传给给梁梁并并部部分分传传发发电电机机机座和水轮机层的排架柱。机座和水轮机层的排架柱。安安装装间间楼楼板板承承受受自自重重、检检修修或或安安装装时时机机组组荷载和活荷载，传到基础。荷载和活荷载，传到基础。第7页/共83页5、围护结构、围护结构(1)(1)外外墙墙。承承受受风风荷荷载载，并并将将它它传传给给排排架架柱柱或壁柱。或

5、壁柱。(2)(2)抗抗风风柱柱。承承受受厂厂房房两两端端山山墙墙传传来来的的风风荷荷载载，并并将将它它传传给给屋屋面面大大梁梁和和基基础础或或厂厂房房下下部部大体积混凝土块体。大体积混凝土块体。(3)(3)圈圈梁梁和和连连系系梁梁。承承受受梁梁上上砖砖墙墙传传下下的的荷荷载和自重，并传给排架柱或壁柱。载和自重，并传给排架柱或壁柱。第8页/共83页水水电电站站厂厂房房的的结结构构组组成成第9页/共83页(二二)下部结构下部结构1、发电机机墩、发电机机墩承受从发电机层楼板传来的荷载和水轮承受从发电机层楼板传来的荷载和水轮发电机组等设备重量、水轮机轴向水压发电机组等设备重量、水轮机轴向水压力和机墩自

6、重，并将它们传给座环和蜗力和机墩自重，并将它们传给座环和蜗壳外围混凝土。壳外围混凝土。第10页/共83页2、蜗壳和水轮机座环（固定导叶）、蜗壳和水轮机座环（固定导叶）将将机机墩墩传传下下来来的的荷荷载载通通过过座座环环传传到到尾尾水水管管上上，另另外外水水轮轮机机层层的的设设备备重重量量和和活活荷荷载载通通过蜗壳顶板也传到尾水管。过蜗壳顶板也传到尾水管。3、尾水管、尾水管承承受受水水轮轮机机座座环环和和蜗蜗壳壳顶顶板板传传来来的的荷荷载载，经经尾尾水水管管框框架架（尾尾水水管管顶顶板板、闸闸墩墩、边边墩墩和底板构成的）结构再传到基础上。和底板构成的）结构再传到基础上。第11页/共83页(一一)

7、厂房主要荷载厂房主要荷载(1)(1)厂房自重，压力水管、蜗壳及尾水管内水重；厂房自重，压力水管、蜗壳及尾水管内水重；(2)(2)厂房内机电设备自重，机组运转时的动荷载；厂房内机电设备自重，机组运转时的动荷载；(3)(3)静静水水压压力力：尾尾水水压压力力，基基底底扬扬压压力力，压压力力水水管管、蜗蜗壳壳及及尾尾水水管管内内的的水水压压力力，永永久久缝缝内内的的水水压压力力，河河床式厂房的上游水压力；床式厂房的上游水压力；厂房的受力和传力系统厂房的受力和传力系统第12页/共83页(4)(4)厂房四周的土压力；厂房四周的土压力；(5)(5)活荷载：活荷载：吊车运输荷载，人群荷载及运输工具荷载；吊车

8、运输荷载，人群荷载及运输工具荷载；(6)(6)温度荷载；温度荷载；(7)(7)风荷载；风荷载；(8)(8)雪荷载；雪荷载；(9)(9)严寒地区的冰压力；严寒地区的冰压力；(10)(10)地震力。地震力。第13页/共83页(二二)厂房的传力系统厂房的传力系统自重与活荷载自重与活荷载 第14页/共83页第二节第二节 厂房混凝土浇筑的分期和分块厂房混凝土浇筑的分期和分块分期目的：分期目的：由由于于机机组组到到货货一一般般均均迟迟于于土土建建的的施施工工期期，为为了了适适应应水水轮轮发发电电机机组组的的安安装装要要求求和和厂厂房房形形状状的的变变化化，厂厂房房中中的的混混凝凝土土需需要要分分期期浇浇筑

9、，称为筑，称为一期混凝土一期混凝土和和二期混凝土二期混凝土。厂房混凝土浇筑的分期厂房混凝土浇筑的分期第16页/共83页原则：原则：满足机电设备安装和埋设的要求；满足机电设备安装和埋设的要求；对对机机组组分分期期安安装装、分分期期运运行行的的厂厂房房，应应满满足足初初期期运运行行时时稳稳定定、强强度度和和防防渗渗的要求。的要求。第17页/共83页厂厂房房混混凝凝土土分分期期分分块块第18页/共83页一一期期混混凝凝土土：底底板板、尾尾水水管管、尾尾水水闸闸墩墩、尾尾水水平平台台、上上下下游游边边墙墙、厂厂房房构构架架、吊吊车车梁梁、部部分分楼楼板板等等，在在施施工工时时先先期期浇浇筑筑，以以便便

10、利利用用吊吊车进行机组安装。车进行机组安装。第19页/共83页二期混凝土：二期混凝土：为了机组安装和埋件需要为了机组安装和埋件需要而预留的，要等到机组和有关设备到货而预留的，要等到机组和有关设备到货后、尾水管圆锥钢板内衬和金属蜗壳安后、尾水管圆锥钢板内衬和金属蜗壳安装完毕后，再进行浇筑。装完毕后，再进行浇筑。二期混凝土包二期混凝土包括金属蜗壳外的混凝土、尾水管直锥段括金属蜗壳外的混凝土、尾水管直锥段外包混凝土、机座、发电机风罩外壁、外包混凝土、机座、发电机风罩外壁、部分楼层的楼板。部分楼层的楼板。第20页/共83页混凝土浇筑的分层、分块混凝土浇筑的分层、分块水水电电站站厂厂房房水水下下部部分分

11、的的混混凝凝土土属属于于大大体体积积块块体体混混凝凝土土。其其特特点点是是现现场场浇浇筑筑量量大大，结结构构几几何何形形状状复复杂杂，基基础础高高差差大大，对对裂裂缝缝要要求求严严格格。由由于于受受混混凝凝土土浇浇筑筑能能力力的的限限制制和和为为了了适适应应厂厂房房形形状状的的变变化化，因因此此每每期期混混凝凝土土要要分分层层分分块块浇筑。浇筑。混混凝凝土土浇浇筑筑分分层层、分分块块是是为为了了便便于于施施工工和和保保证工程质量。证工程质量。第21页/共83页 分层分块原则：分层分块原则：1 1、必须保证主机组安装方便；、必须保证主机组安装方便；2 2、浇筑缝应设在构件内力最小的部位；、浇筑缝

12、应设在构件内力最小的部位；3 3、分块的大小应与混凝土的生产能力、浇、分块的大小应与混凝土的生产能力、浇筑方法与强度相适应；筑方法与强度相适应；4 4、分块必须尽量使工作过程具有最大的重、分块必须尽量使工作过程具有最大的重复性，以简化施工和便于模板的重复使用。复性，以简化施工和便于模板的重复使用。第22页/共83页厂厂房房混混凝凝土土分分期期分分块块第23页/共83页厂房结构的分缝厂房结构的分缝(1)沉沉降降伸伸缩缩缝缝为为防防止止厂厂房房地地基基不不均均匀匀沉沉陷陷，减减小小下下部部结结构构受受基基础础约约束束产产生生的的温温度度和和干干缩缩应应力力，沿沿厂厂房房长长度度方方向向设设置置的的

13、伸伸缩缩缝缝和和沉沉降降缝缝(永永久久缝缝)。特特点点：一一般般都都是是贯贯通通至至地地基基，只只在在地地基基相相当当好好时时，伸伸缩缩缝缝才才仅仅设设在在水水上上部部分分，但但也也需需每每隔隔数数道道伸伸缩缩缝设一道贯通地基的沉降伸缩缝。缝设一道贯通地基的沉降伸缩缝。(2)施施工工缝缝根根据据施施工工条条件件设设置置的的混混凝凝土土浇浇筑筑缝缝(临时缝临时缝)。第三节第三节 厂房结构的分缝和止水厂房结构的分缝和止水第24页/共83页1 1、岩岩基基上上大大型型厂厂房房通通常常一一台台机机组组段段设设一一永永久久缝缝，中小型水电站可增至中小型水电站可增至2 23 3台机组设一条永久缝。台机组设

14、一条永久缝。2 2、在在安安装装间间与与主主机机房房之之间间、主主副副厂厂房房高高低低跨跨分分界界处，由于荷载悬殊，需设沉降缝。处，由于荷载悬殊，需设沉降缝。3 3、坝坝后后式式厂厂房房的的厂厂坝坝之之间间常常沿沿整整个个厂厂房房的的上上游游外外侧设一条贯通地基的纵缝。侧设一条贯通地基的纵缝。4 4、永永久久缝缝的的宽宽度度一一般般为为12cm12cm，软软基基上上可可宽宽一一些些，但不超过但不超过6cm6cm。第25页/共83页主副厂房、安装间、尾水平台间的分缝主副厂房、安装间、尾水平台间的分缝第26页/共83页厂厂房房水水上上部部分分的的永永久久缝缝中中常常填填充充一一定定弹弹性性的的防防

15、渗渗、防防水水材材料料，以以防防止止在在施施工工或或运运行行中中被被泥泥沙沙或或杂杂物物填死和风雨对厂房内部的侵袭。填死和风雨对厂房内部的侵袭。厂厂房房水水下下部部分分的的永永久久缝缝应应设设置置止止水水，以以防防止止沿沿缝缝隙的渗漏，重要部位设两道止水，中间设沥青井。隙的渗漏，重要部位设两道止水，中间设沥青井。止止水水布布置置主主要要取取决决于于厂厂房房类类型型、结结构构特特点点、地地基基特性等，应采用可靠、耐久而经济的止水型式。特性等，应采用可靠、耐久而经济的止水型式。厂房结构的止水厂房结构的止水第27页/共83页第四节第四节 厂房上部结构分厂房上部结构分析析 上部结构与一般上部结构与一般

16、工业厂房无异。工业厂房无异。现浇梁系屋面板现浇梁系屋面板：肋形结构（主、次梁肋形结构（主、次梁及及 板）。板）。屋面梁或屋架屋面梁或屋架+预预制屋面板制屋面板。大型电站也有采用大型电站也有采用钢绗架钢绗架的。的。屋架系统屋架系统第30页/共83页屋面大梁与立柱可能是整浇，成为整体屋面大梁与立柱可能是整浇，成为整体式刚架，大梁与立柱的连接为刚性。也式刚架，大梁与立柱的连接为刚性。也可能是装配式的，大梁与立柱的连接为可能是装配式的，大梁与立柱的连接为铰接。铰接。若为整浇，梁截面一般做成矩形，梁高若为整浇，梁截面一般做成矩形，梁高一般为梁跨的一般为梁跨的1/12 1/12 1/81/8。第31页/共

17、83页荷载：自重（吊车梁与荷载：自重（吊车梁与钢轨及其附件）；吊车钢轨及其附件）；吊车垂直最大轮压；吊车横垂直最大轮压；吊车横向水平制动力（纵向不向水平制动力（纵向不考虑）。考虑）。计算内容：内力计算并计算内容：内力计算并据此配筋；挠度验算；据此配筋；挠度验算；限裂验算。限裂验算。吊车梁吊车梁吊车梁：单跨简支梁或多跨连续梁吊车梁：单跨简支梁或多跨连续梁第32页/共83页吊车梁通常采用吊车梁通常采用T T型断面，型断面，其高度一般为跨度其高度一般为跨度的的1/5 1/81/5 1/8，梁宽约为梁高的，梁宽约为梁高的1/2 1/31/2 1/3。翼板厚度一般为梁高的翼板厚度一般为梁高的1/6 1/

18、101/6 1/10，宽度不小，宽度不小于于35cm35cm。第33页/共83页主梁主梁次梁次梁主、付厂房楼板计算主、付厂房楼板计算肋形结构肋形结构荷荷载载：板板、梁梁自自重重，楼楼面面固固定定设设备备，楼楼面面活活荷荷载载，其其中中起起吊吊物物在在计计算算板板时时乘乘动动力力系系数。数。内内容容：主主、次次梁梁及及板板(双双向向板板或或单单向向板板)的的内内力力与与配配筋筋计算。计算。第34页/共83页空间构架简化为平面构架进行计算。空间构架简化为平面构架进行计算。主厂房排架主厂房排架各各种种工工况况下下可可能能的的荷荷载载：结结构构自自重重，屋屋盖盖系系统统，吊吊车车梁梁，各各楼楼板板梁梁

19、系系、厂厂房房围围护护结结构构传传来来荷荷载载，风风荷荷载载，温温度度应应力力，地地震震力力及及可能的上、下游水压力。可能的上、下游水压力。计计算算简简图图：主主要要视视立立柱柱与与梁梁的的连连接接形形式式、相对刚度确定其简图。相对刚度确定其简图。第36页/共83页计算内容：计算内容：A、内内力力计计算算及及配配筋筋，其其中中梁梁为为受受弯弯构构件件，立立柱为偏心受压构件。柱为偏心受压构件。B、位位移移验验算算吊吊车车梁梁侧侧向向水水平平位位移移不不得得超超过过1cm。第37页/共83页吊车起吊能力吊车起吊能力10吨吨,吊车起吊吊车起吊100吨左右时：吨左右时：排架柱尺寸估算排架柱尺寸估算第3

20、8页/共83页机墩机墩发发电电机机机机墩墩为为发发电电机机支支承承结结构构，除除了了承承受受自自重重等等荷荷载载外外，还还直直接接承承受受机机组组运运转转中中产产生生的的振振动动荷荷载载，所所以以必必须须要要有有足足够够的的刚刚度度，防防止止出出现现共共振振和和过过大大的的变变形形。立立式式机机组组的的发发电电机机支支承承结结构构中中，圆圆筒筒型型机墩采用最多。机墩采用最多。第五节第五节 发电机机墩发电机机墩第39页/共83页计算计算机墩机墩立柱应力并校核确定立柱应力并校核确定是否配筋。是否配筋。A A、轴向正应力、轴向正应力 x x的计算；的计算；B B、环向剪应力、环向剪应力 计算；计算；

21、C C、主应力和孔口应力计算；、主应力和孔口应力计算；D D、计算内力和配筋。、计算内力和配筋。静力计算静力计算圆筒式机墩的计算圆筒式机墩的计算水平推力引起的环水平推力引起的环向剪应力；向剪应力；水平扭矩引起的水平扭矩引起的环向剪应力环向剪应力第42页/共83页 动力计算：动力计算：A A、校核是否发生共振：、校核是否发生共振：自振频率自振频率 强迫振动频率强迫振动频率 分别为垂直、扭转、水平（径向）分别为垂直、扭转、水平（径向）自振频率，可由相应计算确定。自振频率，可由相应计算确定。分别为正常运行偏心振动、飞逸分别为正常运行偏心振动、飞逸运行时偏心振动、叶片与固定导叶水力不平衡运行时偏心振动

22、、叶片与固定导叶水力不平衡强迫振动频率，可由相应计算确定。强迫振动频率，可由相应计算确定。第43页/共83页B B、动力系数校核：、动力系数校核：由于由于 的计算不很精确，的计算不很精确，为安全计，机墩强度计算时为安全计，机墩强度计算时采用的动力系数采用的动力系数 不能小于不能小于 1.2 1.51.2 1.5。C C、振幅验算：、振幅验算：振幅验算包括：振幅验算包括：垂直振幅垂直振幅A A1 1；水平径向振幅；水平径向振幅A A2 2；水平扭转振幅；水平扭转振幅A A3 3。振幅验算要求：振幅验算要求：垂直振幅小于垂直振幅小于0.15mm0.15mm。水平振幅小于水平振幅小于0.20mm0.

23、20mm。第44页/共83页1 1、结构型式、结构型式发电机风罩一般为圆筒式，发电机风罩一般为圆筒式，厚度厚度30-50cm30-50cm。风罩底部与机。风罩底部与机墩整体连接，顶部与发电机墩整体连接，顶部与发电机楼板的连接。连接方式有三楼板的连接。连接方式有三种型式种型式:风罩风罩机墩机墩楼板楼板发电机风罩发电机风罩第45页/共83页1)1)薄壁圆筒薄壁圆筒将风罩取为薄壁圆筒，按轴对称力矩理论计算将风罩取为薄壁圆筒，按轴对称力矩理论计算内力。圆筒的约束情况为：底部固结，顶部则内力。圆筒的约束情况为：底部固结，顶部则视与发电机楼板的连接方式而定。视与发电机楼板的连接方式而定。2)2)形框架形框

24、架风罩与发电机楼板整体连接时，可以在风罩上风罩与发电机楼板整体连接时，可以在风罩上切取圆周向为单宽的竖向杆件，连同楼板组合切取圆周向为单宽的竖向杆件，连同楼板组合成成 形框架，竖杆底部为固结。形框架，竖杆底部为固结。(2)(2)计算方法计算方法:第47页/共83页3 3、钢筋配置、钢筋配置风罩配置竖向和环向钢筋，风罩配置竖向和环向钢筋，都是内外壁各布置一层。都是内外壁各布置一层。环向筋一般为环向筋一般为1020mm1020mm，间距为间距为2025cm2025cm。竖向筋一般为竖向筋一般为1630mm1630mm，间距为间距为1620cm1620cm。第48页/共83页根根据据金金属属蜗蜗壳壳

25、外外围围混混凝凝土土结结构构的的受受力力情情况况，可可分分为三种结构形式。为三种结构形式。1 1、钢钢蜗蜗壳壳外外铺铺设设垫垫层层后后浇浇筑筑外外围围混混凝凝土土（简简称称垫垫层蜗壳层蜗壳）；）；2 2、钢钢蜗蜗壳壳在在充充水水保保压压状状态态下下浇浇筑筑外外围围混混凝凝土土（简简称称充水保压蜗壳充水保压蜗壳）；）；3 3、钢钢蜗蜗壳壳外外直直接接浇浇筑筑混混凝凝土土，既既不不设设垫垫层层，也也不不充内压（简称充内压（简称完全联合承载蜗壳完全联合承载蜗壳）。）。第六节第六节 金属蜗壳金属蜗壳结构形式结构形式第49页/共83页蜗壳与外围混凝土蜗壳与外围混凝土结构示意图结构示意图充水保压蜗壳充水保

26、压蜗壳垫层蜗壳垫层蜗壳第50页/共83页钢钢蜗蜗壳壳外外包包垫垫层层与与混混凝凝土土隔隔开开的的结结构构，以以往往在在我我国国和和苏苏联联普普遍遍采采用用，只只要要钢钢蜗蜗壳壳的的材材料料选选择择正正确确，工工艺艺及及安安排排措措施施适适当当，蜗蜗壳壳是是可可以以安安全全工工作作的的。但是这种结构存在着一些问题：但是这种结构存在着一些问题：（1 1）设设计计时时考考虑虑由由钢钢蜗蜗壳壳单单独独承承受受内内水水压压力力，因此钢板用量多。因此钢板用量多。（2 2）壳壳体体与与座座环环连连接接处处，特特别别是是采采用用蝶蝶形形边边连连接接时时，壳壳体体有有弯弯曲曲应应力力，而而且且正正好好位位于于焊

27、焊缝缝处处，对强度不利；垫层末端处壳体有局部应力集中。对强度不利；垫层末端处壳体有局部应力集中。垫层蜗壳垫层蜗壳第51页/共83页（3 3）垫垫层层材材料料仍仍然然会会传传递递荷荷载载，因因而而内内水水压压力力实实际际上上不不可可能能由由钢钢蜗蜗壳壳完完全全承承担担，必必然然有有部部分分内内压压外外传传，外外包包钢钢筋筋混混凝凝土土必必须须考考虑虑这这部部分分荷荷载载。而而且且由由于于垫垫层层材材料料变变形形是是非非线线性性的的，且且可可能能随随时时间间变变化化，要精确地估计传给混凝土的载荷比例是比较困难的。要精确地估计传给混凝土的载荷比例是比较困难的。（4 4）钢钢蜗蜗壳壳与与外外包包混混凝

28、凝土土之之间间有有垫垫层层，二二者者不不能能形成整体，对机组抗振和钢蜗壳抗疲劳不利。形成整体，对机组抗振和钢蜗壳抗疲劳不利。这些问题，这些问题，随着机组容量的增大，随着机组容量的增大，会更加明显。会更加明显。第52页/共83页采采用用铺铺垫垫层层的的蜗蜗壳壳，单单机机容容量量最最大大的的，国国内内是是三三峡峡和和龙龙滩滩水水电电站站，单单机机7070万万kWkW，国国外外是是俄俄罗罗斯斯克克拉拉斯斯诺诺雅雅尔尔斯斯克克水水电电站站，单单机机5050万万kWkW。苏苏联联专专家家认认为为，这这种种型型式式蜗蜗壳壳HDHD值值的的极极限限是是1200m1200m2 2，更大的蜗壳不宜采用垫层。更大

29、的蜗壳不宜采用垫层。第53页/共83页电站名称电站名称刘家峡刘家峡龙羊峡龙羊峡李家峡李家峡彭水彭水三峡三峡龙滩龙滩拉西拉西瓦瓦克拉斯诺克拉斯诺雅尔斯克雅尔斯克单机容量单机容量/MW/MW300300320320400400350350700700700700700700500500蜗壳进口蜗壳进口直径直径/m/m6.56.56.56.58.08.09.749.7412.412.48.78.76.86.88.78.7钢板最大钢板最大厚度厚度/mm/mm40404444505065657575747464643535蜗壳最大蜗壳最大水压水压/m/m1401401801801641641401401

30、43143242242276276130130屈服极限屈服极限/MPa/MPa400400490490490490490490490490490490470470400400国内外大型垫层蜗壳有关参数国内外大型垫层蜗壳有关参数 第54页/共83页充水保压蜗壳充水保压蜗壳钢钢蜗蜗壳壳充充水水保保压压状状态态下下浇浇筑筑外外包包混混凝凝土土的的蜗蜗壳壳结结构构，是是一一种种部部分分联联合合承承载载的的结结构构。充充水水的的水水压愈大，联合承载的程度愈小。压愈大，联合承载的程度愈小。充水保压的蜗壳主要有以下一些优点：充水保压的蜗壳主要有以下一些优点：（1 1）钢蜗壳及外包混凝土内应力比较均匀。）钢蜗

31、壳及外包混凝土内应力比较均匀。（2 2）钢钢蜗蜗壳壳与与外外包包混混凝凝土土之之间间的的荷荷载载分分配配比比例例可以根据需要选择，而且荷载分配明确可靠。可以根据需要选择，而且荷载分配明确可靠。第55页/共83页（3 3）运运行行时时，钢钢蜗蜗壳壳能能贴贴紧紧外外包包混混凝凝土土，可可以以依依靠靠外外包包混混凝凝土土减减少少蜗蜗壳壳及及座座环环的的扭扭转转变形，减少机组振动，有利于稳定运行。变形，减少机组振动，有利于稳定运行。充充水水保保压压蜗蜗壳壳对对减减少少机机组组振振动动、保保证证机机组组运运行行稳稳定定性性的的作作用用，对对于于大大型型机机组组和和抽抽水水蓄蓄能能机机组组更更加加重重要要

32、，这这也也是是这这二二种种机机组组广广泛泛采采用用充水保压蜗壳的主要理由。充水保压蜗壳的主要理由。第56页/共83页实现充水保压蜗壳，主要需要付出的代价：实现充水保压蜗壳，主要需要付出的代价：（1 1）增加了加压设备的费用。）增加了加压设备的费用。充充水水保保压压的的主主要要设设备备是是蜗蜗壳壳进进口口闷闷头头及及座座环环内内封封环环。这这二二件件的的重重量量一一般般为为水水轮轮机机总总重重的的10%10%。如如果果一一套套加加压压设设备备供供4 4 台台机机组组使使用用，则则相当于每台机增加了水轮机重的相当于每台机增加了水轮机重的2.5%2.5%。第57页/共83页（2 2）增加了机组安装工

33、期。）增加了机组安装工期。根据国内常规机组蜗壳及进口的抽水蓄能根据国内常规机组蜗壳及进口的抽水蓄能机组进行水压试验及充水保压浇筑混凝土机组进行水压试验及充水保压浇筑混凝土的实践看，需要占用机组安装工期的实践看，需要占用机组安装工期2 2 周。周。对于新设计、机组尚未招标的电站，可以对于新设计、机组尚未招标的电站，可以通过机组安装的总体进度安排，保证机组通过机组安装的总体进度安排，保证机组按期投产。按期投产。第58页/共83页美美国国长长期期以以来来，多多采采用用充充水水保保压压浇浇筑筑混混凝凝土土的的蜗蜗壳壳。加加拿拿大大对对中中高高水水头头的的大大机机组组多多采采用用充充水水保保压压的的蜗蜗

34、壳壳，其其中中有有拉拉格格朗朗德德二二级级、邱邱吉吉尔尔瀑瀑布布等等大大水水电电站站。在在巴巴西西，20 20 万万kW kW 以以上上的的机机组组，即即使使水水头头不不高高，采采用用充充水水保保压压蜗蜗壳壳。西西欧欧对对大大中型机组，中型机组，多采用充水保压蜗壳。多采用充水保压蜗壳。西西方方的的单单机机容容量量超超过过5050万万kWkW机机组组的的水水电电站站，无无一一例例外外都都采采用用充充水水保保压压蜗蜗壳壳。此此外外，高高水水头头、大大容容量量的的可可逆逆式式抽抽水水蓄蓄能能机机组组，采采用用充充水水保保压压蜗壳居多。蜗壳居多。第59页/共83页我我国国近近年年来来也也开开始始采采用

35、用充充水水保保压压的的蜗蜗壳壳。19911991年年开开始始发发电电的的天天生生桥桥二二级级电电站站1 1 4 4 号号机机组组（单单机机容容量量22 22 万万kWkW）是是我我国国大大型型机机组组最最早早采采用用充充水水保保压压蜗蜗壳壳的的。（广广蓄蓄、潘潘家家口口抽抽水水蓄蓄能能、十十三三陵陵、二二滩滩水水电电站站、天天荒荒坪坪抽抽水蓄能电站等）。水蓄能电站等）。随随着着更更多多的的大大容容量量、高高水水头头常常规规机机组组和和大大容容量量抽抽水水蓄蓄能能机机组组的的建建设设，充充水水保保压压蜗蜗壳壳在在我我国有更多应用的趋势。国有更多应用的趋势。第60页/共83页电站名称电站名称广蓄广

36、蓄天荒坪天荒坪二滩二滩瀑布沟瀑布沟三峡三峡小湾小湾依泰普依泰普大古力大古力单机容量单机容量/MW/MW300300300300550550600600700700700700715715700700蜗壳进口蜗壳进口直径直径/m/m2.32.32.02.06.686.688.08.012.412.46.56.59.649.6410.610.6钢板最大钢板最大厚度厚度/mm/mm80807070656575757575707080804343蜗壳最大蜗壳最大水压水压/m/m775775800800241241245245139.5139.5290290171171123123屈服极限屈服极限/MP

37、a/MPa490490490490490490360360630630国内外大型充水保压蜗壳有关参数国内外大型充水保压蜗壳有关参数第61页/共83页完全联合承载蜗壳完全联合承载蜗壳苏苏联联是是这这种种蜗蜗壳壳的的首首创创者者。从从6060年年代代起起，苏苏联联在在克克拉拉斯斯诺诺雅雅尔尔斯斯克克和和布布拉拉茨茨克克两两座座巨巨型型水水电电站开展了钢衬与钢筋混凝土联合承载的研究。站开展了钢衬与钢筋混凝土联合承载的研究。萨萨扬扬舒舒申申斯斯克克水水电电站站及及其其64 64 万万kW kW 机机组组也也是是世世界界上上迄迄今今采采用用完完全全联联合合承承载载蜗蜗壳壳的的最最大大水水电电站站和最大机

38、组。和最大机组。北北欧欧国国家家和和日日本本采采用用完完全全联联合合承承载载蜗蜗壳壳的的较较多多，但是与苏联不同。但是与苏联不同。第62页/共83页 我我国国尚尚无无完完全全联联合合承承载载蜗蜗壳壳的的工工程程实实践践。八八十十年年代代曾曾经经结结合合龙龙羊羊峡峡水水电电站站300MW300MW机机组组进进行行了了完完全全联联合合承承载载结结构构的的整整体体结结构构模模型型试试验验，取取得得了了研研究究结结果果。本本世世纪纪初初，结结合合三三峡峡水水电电站站700MW700MW机机组组，进进行行了了完完全全联联合合承承载载结结构构的的可可行行性性论论证证研研究究，提提出出了了在在三三峡峡水水电

39、电站站右右岸岸厂厂房房或或地地下下厂厂房房机机组组采采用用完完全全联联合合承承载载蜗壳的建议，但是没有做深入的研究。蜗壳的建议，但是没有做深入的研究。第63页/共83页电站名称电站名称景洪景洪三峡三峡15#15#机机努列克努列克英古里英古里萨扬舒申斯克萨扬舒申斯克单机容量单机容量/MW/MW300300700700300300260260640640蜗壳进口直径蜗壳进口直径/m/m11.211.212.412.44.24.23.03.06.56.5钢板最大厚度钢板最大厚度/mm/mm40407575323236364040蜗壳最大水压蜗壳最大水压/m/m9696139.5139.5380380

40、550550286286屈服极限屈服极限/MPa/MPa320320490490300300300300400400国内外大型完全联合承载蜗壳有关参数国内外大型完全联合承载蜗壳有关参数 第64页/共83页1 1、设计荷载和计算情况：、设计荷载和计算情况：A A、结构自重；、结构自重；B B、由发电机支撑结构传来的荷载；、由发电机支撑结构传来的荷载；C C、水轮机层地面活荷载。、水轮机层地面活荷载。正常运行情况为上述三种基本荷载的组合正常运行情况为上述三种基本荷载的组合。蜗壳外围结构设计蜗壳外围结构设计第65页/共83页目前外围结构设计中，一般还是采用平面框架目前外围结构设计中，一般还是采用平面

41、框架结构力学方法计算内力。结构力学方法计算内力。2 2、内力计算、内力计算蜗壳外围结构是指水轮机层以下蜗壳外围的二蜗壳外围结构是指水轮机层以下蜗壳外围的二期钢筋混凝土结构，它是一个整体性强的空间期钢筋混凝土结构，它是一个整体性强的空间结构，体型复杂，除了用三维有限元分析其空结构，体型复杂，除了用三维有限元分析其空间应力状态外，还没有精确的方法可用来计算间应力状态外，还没有精确的方法可用来计算蜗壳外围混凝土结构蜗壳外围混凝土结构。第66页/共83页 形框架的取法有两种，一种等截面；一种变截面形框架的取法有两种，一种等截面；一种变截面。从蜗壳进口断面开始选择若干个断面，在每个计算从蜗壳进口断面开始

42、选择若干个断面，在每个计算断面上径（蜗）向切取单位宽度，按平面变形问题断面上径（蜗）向切取单位宽度，按平面变形问题 形框架计算内力。即平面框架法。形框架计算内力。即平面框架法。第67页/共83页1)1)等截面框架（图等截面框架（图b b、c c）框框架架由由截截面面不不变变的的横横梁梁和和立立柱柱组组成成。一一般般取取横横梁梁和和立立柱柱的的中中心心线线组组成成框框架架计计算算简简图图。A A端端为为铰铰支支，C C或或G G端端为为固固结结，B B点点要要考考虑虑刚刚性性节节点点的的影影响响。等等截截面面方方法法还还可可分分为为不不考考虑虑实实际际截截面面高高度度和和考考虑虑实实际际截截面面

43、高度两种情况。高度两种情况。第68页/共83页根根据据计计算算简简图图，这这个个钢钢架架是是个个二二次次超超静静定定结结构构，采采用用弯弯矩矩分分配配法法进进行行计计算算较较为为简简便便。分分别别计计算算前前述述三三个个荷荷载载作作用用下下的的跨跨中中弯弯矩矩和和固固端端弯弯矩矩，根根据据叠叠加加原原理理，得得出出总总弯弯矩矩图。图。由由于于蜗蜗壳壳外外围围混混凝凝土土结结构构尺尺寸寸较较大大，计计算算需考虑剪切变形和刚性节点的影响。需考虑剪切变形和刚性节点的影响。第69页/共83页2)2)变截面框架（图变截面框架（图d d）变截面框架比等截面框架接近结构体形一些，变截面框架比等截面框架接近结

44、构体形一些，但计算比较复杂。但计算比较复杂。第70页/共83页3 3、配筋计算、配筋计算设弹性垫层的金属蜗壳外围结构几乎设弹性垫层的金属蜗壳外围结构几乎不承受内水压力，但作为机墩的基础不承受内水压力，但作为机墩的基础结构，受振动荷载的作用，配筋计算结构，受振动荷载的作用，配筋计算时，允许混凝土开裂，但限制裂缝的时，允许混凝土开裂，但限制裂缝的开展宽度不超过开展宽度不超过0.3mm0.3mm。混凝土标号。混凝土标号不小于不小于150150号。号。第71页/共83页弯肘形尾水管包括弯肘形尾水管包括直锥段直锥段，弯管段弯管段和和扩散段扩散段。尾水管结构是指尾水管流道的外围混凝土结构。尾水管结构是指尾

45、水管流道的外围混凝土结构。锥管段锥管段肘管段肘管段扩散段扩散段结构形式结构形式第七节第七节 尾水管尾水管第72页/共83页（1 1）荷载：）荷载：自重、从蜗壳和座环传来荷载；内、外水压力、自重、从蜗壳和座环传来荷载；内、外水压力、扬压力、地基反力扬压力、地基反力。扩散段结构由顶板、底板、边墩和中墩等构件扩散段结构由顶板、底板、边墩和中墩等构件组成。厂房岩基完整坚硬时，底板与顶板、边组成。厂房岩基完整坚硬时，底板与顶板、边墩和中墩分开，成为分离式结构。当厂房岩基墩和中墩分开，成为分离式结构。当厂房岩基较差或软基时，顶板、底板、边墩和中墩等整较差或软基时，顶板、底板、边墩和中墩等整体浇筑，成为整体

46、式结构体浇筑，成为整体式结构。（2 2）扩散段计算）扩散段计算结构计算结构计算第73页/共83页分离式结构，尾水管底板厚可取分离式结构，尾水管底板厚可取5080cm5080cm。整体式结构，尾水管底板厚可取整体式结构，尾水管底板厚可取100200cm100200cm。第74页/共83页从尾水管扩散段结构中切出单宽，作为平面框从尾水管扩散段结构中切出单宽，作为平面框架进行计算。作用在框架的荷载，除前面所说架进行计算。作用在框架的荷载，除前面所说的基本荷载外，还应考虑框架上、下游面的的基本荷载外，还应考虑框架上、下游面的不不平衡剪力平衡剪力和作用在框架底板上的和作用在框架底板上的地基反力地基反力。

47、第75页/共83页地基反力的分布可能为线性均匀分布；可能地基反力的分布可能为线性均匀分布；可能呈三角形分布；也可能呈曲线分布。与地基呈三角形分布；也可能呈曲线分布。与地基系数、尾水管底板尺寸、材料的弹模有关。系数、尾水管底板尺寸、材料的弹模有关。第76页/共83页例如只考虑所有上部荷载和地基反力时的计算简图为：例如只考虑所有上部荷载和地基反力时的计算简图为：用结构力学的方法即可算出内力，然后进行配筋。用结构力学的方法即可算出内力，然后进行配筋。第77页/共83页（3 3）肘管段计算）肘管段计算图图中中5-55-5和和1-11-1断断面面为为弯弯管管段段断面。断面。按按平平面面框框架架进进行行计

48、计算算。设设计计实践中，主要简化方法有：实践中，主要简化方法有：第78页/共83页1 1、单单跨跨平平面面框框架架，适适用用情情况况：顶顶板板、底底板板和和边墩的结构厚度比较一致；边墩的结构厚度比较一致；2 2、当当顶顶板板厚厚度度h hL/3L/3时时，把把顶顶板板视视为为深深梁梁比比较较合合理理。由由于于深深梁梁刚刚度度较较大大，边边墩墩刚刚度度相相对对较较小，计算简图为简支深梁。小，计算简图为简支深梁。3 3、若若底底板板较较薄薄，两两边边边边墩墩较较厚厚，刚刚度度大大，就就可简化为两端固接的梁式板计算。可简化为两端固接的梁式板计算。第79页/共83页(4)(4)锥管段的计算锥管段的计算锥管段结构为一变厚度圆锥筒，内力计算时，通常锥管段结构为一变厚度圆锥筒，内力计算时，通常简化为上端自由、下端固定的等厚圆筒进行计算。简化为上端自由、下端固定的等厚圆筒进行计算。可按单宽为可按单宽为1m1m的悬臂梁计算内力。的悬臂梁计算内力。第80页/共83页注意：注意：蜗蜗壳壳、尾尾水水管管等等下下部部块块体体结结构构，其其断断面面形形式式尺尺寸寸大大多多由由结结构构布布置置与与运运行行要要求求决决定定，很很少少由由强强度度计计算算确确定定，故故尺尺寸寸很很大大，大大多多根根据据经经验验进进行行构构造配筋。造配筋。第81页/共83页感谢您的观看。第83页/共83页