垫层蜗壳结构动力特性的解析研究

作     者：段玉军 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张运良

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：水电站 厂房 蜗壳 垫层 动力特性 解析方法 

摘      要：垫层蜗壳结构在我国大中型水电站中被普遍使用。根据以往对垫层蜗壳结构的研究可知在蜗壳与外围混凝土之间铺设薄软垫层能够调整内水压力在蜗壳与外围混凝土之间的分配比例,改善结构的受力性能。然而,垫层的存在会降低外围混凝土对钢蜗壳的约束作用,改变结构的刚度,进而对结构动力特性产生影响。以往针对钢壳-垫层-混凝土组合结构的动力特性研究多采用数值模拟方法(如有限元方法),而对于解析法的应用则非常少,几乎没有。因此,本文运用解析法研究了垫层材料参数以及外围混凝土厚度、钢壳厚度对水电站垫层蜗壳结构径向振动的影响,具体研究如下:(1)通过力学分析方法,将垫层管道结构中的钢壳、垫层以及外围混凝土简化为一个三自由度体系,脉动水压力作用在钢壳内壁上并假定其为简谐荷载,导出了垫层材料的刚度、阻尼与结构振动响应的匹配关系表达式;将垫层管道结构视为多层圆筒的轴对称平面应变问题,导出了钢壳、垫层以及外围混凝土的刚度表达式。(2)以拉西瓦水电站工程为例,应用已推导出的解析式分别计算了不同的垫层弹性模量、泊松比、厚度以及外围混凝土厚度、钢壳厚度下蜗壳组合结构的刚度及自振频率。结果表明:垫层弹性模量的增大会使结构各阶固有频率均增大;增大垫层厚度能够降低结构各阶次的固有频率;垫层泊松比的增大会使结构各阶固有频率均增大;随着混凝土厚度的增大,钢壳和垫层的频率逐渐增大,而混凝土的频率逐渐减小;随着钢壳厚度的增大,钢壳和混凝土的频率不断减小,而垫层的频率不断增大。(3)在不同的水力脉动频率下,改变垫层材料参数(弹性模量、厚度、泊松比、阻尼)及外围混凝土厚度、钢壳厚度计算出了钢壳及混凝土的振动位移幅值。结果表明:垫层弹性模量对蜗壳以及混凝土的位移影响较大;水力脉动低频时,垫层厚度主要影响蜗壳的位移,水力脉动高频时,垫层厚度主要影响混凝土的位移;水力脉动低频时,垫层材料泊松比的增大会降低蜗壳及混凝土的振幅,水力脉动高频时,垫层材料泊松比的增大会使蜗壳及混凝土的位移增大;垫层阻尼主要在结构可能发生共振时可大幅降低结构的位移;混凝土厚度的增大可大幅度降低其振幅,但对蜗壳的振幅影响不显著;大部分情况下,钢壳厚度的增大能降低混凝土以及蜗壳的振幅。(4)由于每个水电站蜗壳结构尺寸不同,致使其结构刚度也不同。结合实际工程,本文计算了不同刚度比(外围混凝土刚度与垫层刚度之比)下蜗壳以及混凝土的振幅。本文的研究方法和结论,可为垫层材料参数的选取提供理论上的参考。