预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析

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发布时间：2021-09-04

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预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析
马文亮，王清云，张建华
(华北水利水电学院土木与交通学院，郑州45001 1)
摘要：以龙开口水电站为例，提出了预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管结构的设计方案，并采用非线性有限元理论对
背管结构进行了极限承载力分析。研究了坝后背管结构的应力分布规律，并将预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管与
普通钢衬钢筋混凝土坝后背管进行对比分析。研究成果表明：预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管结构具有节省投
资、避免开裂、耐久性好等优点，是一种值得广泛应用和推广的压力管道结构形式。
关键词：预应力钢衬钢筋混凝土；坝后背管；非线性理论；内水压力；应力分布
中图分类号：TV332．3 文献标志码：A 文章编号：1001—5485(2012)09—0086—05
坝后背管是坝后式水电站常采用的压力管道布
置形式，这种管道布置形式具有便于布置、不削弱坝
体、可分期施工加速进度等优点⋯ 。坝后背管是钢
衬钢筋混凝土联合受力的压力管道，最早应用于原
苏联克拉斯诺亚尔斯克水电站¨2 J。由于坝后背管
结构的诸多优点，该种形式的压力管道在实际工程
中得到了广泛应用。从工程设计和实践来看，坝
后背管结构允许出现裂缝，但裂缝的宽度常常超过
规范规定的限值 J。这些裂缝在长期运行下会产
生诸多不利影响，导致钢筋锈蚀，加剧裂缝开展，危
及管道的安全运行和使用寿命。预应力钢衬钢筋混
凝土坝后背管是针对普通背管在裂缝控制和耐久性
等方面的弱点而提出的一种结构形式，环向预应力
技术近年来在坝后背管 J、排沙洞等结构中逐渐
得到了应用，起到了良好效果。下面将以龙开口水
电站预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管为例，采用非
线性理论，对预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管进行
分析，研究该结构的受力特点。
1 计算模型
1．1 工程概况
龙开口水电站位于云南省鹤庆县中江乡境内的
金沙江中游河段上，电站装机容量1 800 MW，挡水
建筑物为混凝土重力坝，采用坝后式厂房，装机5
台，供水方式为单管单机，坝后背管，背管内径
10 m。钢筋为Ⅱ级，切线弹性模量E =200 GPa，泊
松比 =0．25，屈服强度。． =310 MPa，割线弹性
模量E ：20 GPa。考虑施工、温度变化和混凝土徐
变等因素，钢管和混凝土管之问留有2．1 mm的缝
隙。
1．2 计算荷载
在对背管结构进行非线性有限元分析时，取斜
直段中部为计算断面。此断面的内水压力为60 m
水头，考虑到40％的水击压力升高值，因此计算断
面的设计内水压力为1．4×60=84 m水头，即设计
内压P=0．84MPa，最大内压P=1．02 MPa。
1．3 计算理论
采用非线性有限元理论分析龙开口水电站预应
力钢衬钢筋混凝土管，混凝土的本构关系采用
Drucker—Prager屈服准则 J，混凝土的破坏准则采用
改进的William—Wamke五参数破坏准则。普通钢筋
模拟采用整体式钢筋模型，可以通过定义各个方向
的配筋率来模拟钢筋混凝土。预应力钢筋采用分离
式钢筋模型，采用2结点杆单元模拟预应力钢筋。
1．4 计算模型
在坝后背管斜直段切出2 m长的管段进行计算
分析，其计算模型模拟范围见图1。对计算模型进
行单元划分时，钢衬采用4节点的壳体单元来模拟；
混凝土管及坝体采用8节点的块体单元模拟；预应
力钢绞线采用杆单元模拟。钢衬和混凝土管留有的
缝隙用弹簧单元连接，其单元划分如图2所示。
1．5 方案优选
为了设计一个经济合理的预应力钢衬钢筋混凝