根据某水电站蜗壳外围混凝土非线性静力有限元计算结果，确定 了裂缝分布范围和长度。应用 ANSYS有限元 软件建立了带裂缝的蜗壳管节模型，引入混凝土断裂力学概念，在裂缝尖端设置应力奇异单元。计算分析表明：蜗壳外 围混凝土裂缝在荷载作用下主要是 I—II复合型裂缝；蜗壳结构在正常运行期间裂缝稳定；在最大 内水压力作用下和蜗 壳检 修期间部 分裂缝会 继续发展 ，应予 以注意。 关 键 词：蜗壳结构；裂缝；应力强度因子；断裂韧度 中图分类号 ：TV543 文献标识码 ：A doi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．03．057 巨型蜗壳结 构运 行期 间 ，在内水压 力作 用下 ，其外 围混 凝 土薄弱部位或高应力集中区一般会产生分布裂缝，且某些断面 特别是进 口段蜗壳的顶部或腰部可能出现宏观可见的集中贯 穿性裂缝，而在动态水击压力、最大内水压力和检修放空等工 况下，蜗壳结构受力条件更趋复杂。混凝土裂缝的开裂状态及 其稳定性对于机组和厂房水下?昆凝土结构的静动态运行安全 至关重要，有必要对蜗壳外围混凝土裂缝的稳定性进行研究。 笔者以某大型水电站直埋式蜗壳结构为研究对象，对蜗壳 外 围混凝土裂缝进行 了非线性有限元静力计算 ，引入混凝 土断 裂力学方法 ，根据混凝 土复 合断裂 韧度判 据 ，判断其 裂缝 的稳 定性 。 1 理论方法 1．1 ANSYS求解应力强度因子方法 线弹性 断裂力学 中常 用应 力 强度 因子 来 描述 裂 纹场 。 ANSYS软件提供的“位移外推 ”法能较好 地计 算裂 纹周 围区域 的应力分布和裂纹的应力强度因子 ，计算简单、精度高…。在 线弹性 范围内 ，三维裂纹尖端的局部位移场与应力 强度 因子 的 关 系为 。 一 = K i (1+ ) (1) 2KⅢ √ 式 中：u 'tO为裂纹尖端局部直角 坐标系下 裂纹前端 位移 ；r为 裂纹尖端局部柱坐标 系下坐标 ；G为材料剪切模量 ； I、KⅡ、KⅢ 为应力强度因子；平面应变或轴对称 k=3～4v，平面应力 = (3一 )／(1+l，)， 为泊松 比。 当利用裂纹尖端节点的位移 △“、Av、Aw进行计算时，应力 强度因子可表示 为 · 】24 · - = K ： m (2) 在使用有限元法进行应力强度因子计算时，因常规单元在 裂纹尖端存在奇异性而使用奇异单元，即使用二次三角(或五 面体)单元，并将靠近裂纹尖端的中间节点置于 1／4处，则沿裂 纹尖端单元边上的应力和应变与 l／ 成正 比，而位移与 成正 比，这样应力强度因子就消除了奇异性，也就是说可以用相对 比较稀疏的单元得到精度较高的结果。 1．2 混凝土复合裂缝断裂判据 采用徐道远等 提出的定量衡定方法，即通过缝端稳定安 全系数 It判断混凝土复合裂缝断裂情况： It=Km／Klc (3) 其 中 = Jie,+2Ⅱ+ (4) 式中： 为复合应力强度因子；KI为同一 0、02下 K 的断裂 临界 0 一 ctan arctan 。 显然 ，若n<1，则裂缝是稳定的，且 n值越小 ，稳定性越高； 若 n>1，则裂缝是不稳定的，必将扩展；当n=1时，裂缝处于 临界状态 。 混凝 土断裂韧度 K。一般 由试 验确定 ，也 可采

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