金屬薄壁圓柱殼在不均勻沉降下的穩(wěn)定性能研究

金屬薄壁圓柱殼廣泛應(yīng)用于土木工程中的儲(chǔ)罐、筒倉(cāng)等結(jié)構(gòu)。建造在軟土地基上的大型圓柱殼易產(chǎn)生各種沉降變形，其中周邊不均勻沉降對(duì)殼體穩(wěn)定最為不利。非均勻應(yīng)力狀態(tài)下薄壁圓柱殼的屈曲是當(dāng)前國(guó)際上殼體結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但大多針對(duì)非均勻荷載條件，對(duì)非均勻支承問題的研究較少。本項(xiàng)目擬應(yīng)用先進(jìn)計(jì)算技術(shù)和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)手段，深入研究不均勻沉降下金屬薄壁圓柱殼的穩(wěn)定性能與設(shè)計(jì)方法。分別以理想化的沉降模型與實(shí)際工程的實(shí)測(cè)沉降為依據(jù)，系統(tǒng)分析薄壁圓柱殼在不均勻沉降下的非線性響應(yīng)、屈曲性能與后屈曲性能，揭示圓柱殼在不均勻沉降下的失穩(wěn)機(jī)理，建立考慮不均勻沉降的薄壁圓柱殼穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法以及考慮殼體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的地基不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。通過本項(xiàng)目的研究，可以豐富對(duì)非均勻應(yīng)力狀態(tài)下薄殼結(jié)構(gòu)屈曲性能的深入認(rèn)識(shí)，為立式鋼儲(chǔ)罐、平底鋼筒倉(cāng)等結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，并為相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的制訂提供參考。 2100433B

一個(gè)在上下兩邊作用著壓力 σ的薄板或薄筒殼，在壓力比較小時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力和相應(yīng)的壓應(yīng)變,而不產(chǎn)生側(cè)向撓度ω。該板或殼由原來的不受力狀態(tài)轉(zhuǎn)為一個(gè)受力的平衡狀態(tài)。給這一平衡狀態(tài)以小干擾,比如給一個(gè)小的側(cè)向撓度,板或殼中就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)于干擾的應(yīng)力和應(yīng)變。在干擾消除后，因干擾引起的應(yīng)力和應(yīng)變立刻消失并使板或殼恢復(fù)到受干擾前的狀態(tài)，因而稱開始的受力平衡狀態(tài)為穩(wěn)定平衡狀態(tài)。如使σ不斷增加并大于某一數(shù)值后,干擾所引起的小撓度將迅速擴(kuò)大，板殼受力的這種平衡稱為不穩(wěn)定平衡。如果板殼所承受的外載荷從小值逐漸增大，則板殼將由穩(wěn)定平衡過渡到不穩(wěn)定平衡，在兩種平衡之間存在著一種過渡狀態(tài),稱為臨界狀態(tài),或稱隨遇平衡狀態(tài)。這一狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的外載荷稱為臨界載荷,其大小稱為臨界值,板殼內(nèi)的相應(yīng)應(yīng)力稱為臨界應(yīng)力,記為σcr 。失穩(wěn)臨界應(yīng)力值與結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式、邊界條件、材料性能、載荷大小及分布情況等多種因素有關(guān)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力不超過臨界值。

金屬殼磚是一種在坯體表面施加金屬釉后再經(jīng)過1200℃以上的高溫?zé)贫傻拇纱u，釉一次燒成強(qiáng)度高；耐磨性好；顏色穩(wěn)定，不易被氧化，質(zhì)量較輕，防火，而且環(huán)保。金屬殼磚的用途：一可用在室外墻壁上作線條，點(diǎn)綴建筑物。二可用于室內(nèi)局部裝飾。

在水頭高于40m以上的水電站中，由于強(qiáng)度的需要，一般采用金屬蝸殼或金屬鋼板與混凝土聯(lián)合作用的蝸殼。金屬蝸殼按其制造方法，有焊接、鑄造、鑄焊三種類型。

埋入部件焊接蝸殼

這種蝸殼，包括座環(huán)在內(nèi)全部用焊接結(jié)構(gòu)，鋼板沿著整個(gè)圓周焊接到座環(huán)的上、下蝶形邊上。一般用在尺寸較大的中低水頭電站的混流式水輪機(jī)中。焊接蝸殼由若干個(gè)節(jié)組成，每節(jié)又由幾塊鋼板拼成，整個(gè)蝸殼的裝配和焊接在工地安裝時(shí)進(jìn)行。工廠只完成鋼板下料和卷制成單個(gè)環(huán)形節(jié)。焊接蝸殼的節(jié)數(shù)不應(yīng)太少，否則將影響蝸殼的水力性能。鋼板的厚度應(yīng)根據(jù)有關(guān)強(qiáng)度計(jì)算確定，通常蝸殼進(jìn)口斷面厚度較大，越接近鼻端厚度越小。同一斷面上鋼板厚度也不相同，在接近座環(huán)上、下端的鋼板較在斷面中間的要厚一些。焊接

蝸殼的焊縫應(yīng)盡量減少，遇到十字交錯(cuò)焊縫時(shí)必須錯(cuò)開300mm以上。

焊接蝸殼平面尺寸較大，需全部埋入混凝土中。由于蝸殼壁薄、剛性差，不能承受外部荷載，所以在蝸殼上部與混凝土之間。一般要鋪設(shè)由瀝青、石棉、毛氈等材料組成的彈性墊層，以避免水壓直接傳遞到混凝土上和上部基礎(chǔ)傳來的外荷載直接作用在蝸殼上。目前，對(duì)于大型機(jī)組埋設(shè)蝸殼，多采用充水保壓新技術(shù)，取消了彈性墊層，增強(qiáng)了蝸殼的剛度，如三峽機(jī)組蝸殼即采用了這一新技術(shù)。

埋入部件鑄造蝸殼

這種蝸殼的剛度較大，能承受一定的外壓，常作為水輪機(jī)的支承點(diǎn)并在它上面直接布，置導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)裝置。鑄造蝸殼一般不全部埋入混凝土。根據(jù)應(yīng)用水頭不同，鑄造蝸殼可采用不同的材料，水頭小于120m的小型機(jī)組一般用鑄鐵件，水頭大于120m時(shí)則多用鑄鋼制作。

埋入部件鑄焊蝸殼

這種蝸殼與鑄造蝸殼一樣，適用于尺寸不大的高水頭混流式水輪機(jī)。鑄焊蝸殼的外殼用鋼板壓制而成，固定導(dǎo)葉的支柱和座環(huán)一般是鑄造，然后用焊接方法把它們聯(lián)成整體。焊接后需進(jìn)行必要的熱處理以消除焊接應(yīng)力。

大中型機(jī)組的蝸殼上設(shè)有進(jìn)入孔和排水孔。一般進(jìn)入孔直徑為650mm，位置設(shè)在蝸殼的底部，并與蝸殼圓形斷面中垂線成15°，這樣是為了打開進(jìn)入門時(shí)不會(huì)有積水漏出。

另外，在蝸殼內(nèi)部最低處，均設(shè)有排水閥，以便檢修時(shí)排出積水。在廠房的基礎(chǔ)上，設(shè)有若干個(gè)均布的支墩，用于安放蝸殼，并用千斤頂和拉桿拉緊，把金屬蝸殼牢固地固定在基礎(chǔ)上，以免澆注混凝土?xí)r蝸殼位置變動(dòng) 。