长江科学院院报

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2026 , Vol. 43 >Issue 1: 136 - 143

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20241100

工程安全与灾害防治

抽水蓄能电站钢蜗壳低周疲劳载荷谱编制方式研究

  • 胡蕾 , 1, 2, 3, 4, 5 ,
  • 简敏 1, 2, 3 ,
  • 张启灵 2, 3, 4, 5 ,
  • 高晓峰 2, 3, 4, 5 ,
  • 郭永成 1
展开
  • 1 三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002
  • 2 长江科学院 工程安全与灾害防治研究所,武汉 430010
  • 3 湖北省智慧水电技术创新中心,武汉 430010
  • 4 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,武汉 430010
  • 5 国家大坝安全工程技术研究中心,武汉 430010

胡 蕾(1989-),女,山东菏泽人,正高级工程师,博士,研究方向为水电站钢-混凝土组合结构。E-mail:

Copy editor: 王慰

收稿日期: 2024-10-25

  修回日期: 2025-03-03

  录用日期: 2025-03-10

  网络出版日期: 2025-03-21

基金资助

国家自然科学基金项目(52279123)

长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF20231025/GC)

湖北省智慧水电技术创新中心开放研究基金项目(1523020038)

收起

Compilation Methods for Low-Cycle Fatigue Load Spectra of Steel Volutes in Pumped Storage Power Stations

  • HU Lei , 1, 2, 3, 4, 5 ,
  • JIAN Min 1, 2, 3 ,
  • ZHANG Qi-ling 2, 3, 4, 5 ,
  • GAO Xiao-feng 2, 3, 4, 5 ,
  • GUO Yong-cheng 1
Expand
  • 1 College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
  • 2 Engineering Safety and Disaster Prevention Department, Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China
  • 3 Hubei Smart Hydropower Technology Innovation Center,Wuhan 430010, China
  • 4 Engineering Technology Research Center of Water Engineering Safety and Disease Control of Ministry of Water Resources,Wuhan 430010, China
  • 5 National Dam Safety Engineering Technology Research Center, Wuhan 430010, China

Received date: 2024-10-25

  Revised date: 2025-03-03

  Accepted date: 2025-03-10

  Online published: 2025-03-21

Fold

摘要

抽水蓄能电站机组在反复启停和变负荷运行状态下,钢蜗壳结构承受的静水压力会大幅度变化,长期作用下蜗壳可能发生低周疲劳破坏。以某抽水蓄能电站为例,在ABAQUS中完成了钢蜗壳结构的有限元仿真分析,再基于2016年全年水位监测数据编制不同时间长度的原型载荷谱,并在nCode Designlife平台利用雨流计数法对其处理计算,对比了原型载荷谱、处理后的载荷谱及几种极端情况下载荷谱计算得到的疲劳寿命。结果表明: ① 抽水蓄能电站充水保压蜗壳与混凝土间的间隙闭合存在一定的滞后性,与常规电站大直径充水保压蜗壳的间隙闭合规律相似,可能对抗疲劳性能不利。 ② 低周疲劳载荷谱可采用雨流计数或常幅值简化编制方式,但对水位消落深度较大的电站,还需要进一步探索可靠的输入方式。③ 在电站运行期内,钢蜗壳无低周疲劳失效风险。研究结果可对钢蜗壳抗疲劳设计载荷的选取提供帮助。

关键词： 抽水蓄能电站; 钢蜗壳结构; 低周疲劳; 载荷谱; 雨流计数法

本文引用格式

胡蕾 , 简敏 , 张启灵 , 高晓峰 , 郭永成 . 抽水蓄能电站钢蜗壳低周疲劳载荷谱编制方式研究[J]. 长江科学院院报, 2026 , 43(1) : 136 -143 . DOI: 10.11988/ckyyb.20241100

Abstract

[Objective] The steel volute of a pumped storage power station is the part of the flow passage structure subjected to the highest internal pressure, bearing cyclic water pressure during operation and facing potential risk of low-cycle fatigue failure. At present, a fundamental issue in predicting low-cycle fatigue life of steel volutes in pumped storage power stations lies in the scientific determination and input of the fatigue load spectrum. [Methods] Static analysis of the composite structure was performed on the Abaqus finite element platform. Based on water level monitoring data, static monitoring results, and unit operating modes, the prototype load spectrum, rainflow-counting load spectrum, and constant-amplitude load spectrum were respectively compiled. [Results] By comparing with the fatigue life prediction results based on the prototype load spectrum, the reliability of the load spectrum compiled by the rainflow-counting method was verified. The sequence of cycle amplitudes and extremely small amplitude loads in rainflow counting had minimal impact on fatigue life prediction results, indicating that the rainflow-counting method could serve as a simplified input approach for low-cycle fatigue loading of steel volutes. The fatigue life prediction results based on the constant-amplitude load spectrum were close to those based on the prototype spectrum. For this pumped storage power station, constant-amplitude loading could be used as a simplified input for fatigue loading. However, it should be noted that the drawdown depth of the water level at this power station was relatively small. In such cases, whether the prototype load spectrum, rainflow-counting load spectrum, or constant-amplitude load spectrum was used, the range of cyclic amplitude variation was limited. For power stations with small water level drawdown depths, the fatigue load spectrum of the steel volute could be simplified to a constant-amplitude form. However, for power stations with relatively large water level drawdown depths, whether the above conclusions were applicable required further investigation. [Conclusion] The findings of this study can provide a reference for compiling low-cycle fatigue load spectra for steel volutes. According to the prediction results, there is no risk of low-cycle fatigue failure during the operation period of the power station. However, certain limitations in the calculations of this study may lead to an overestimation of prediction results for the following three reasons. (1) Only the impact of hydrostatic pressure on the steel volute is considered, while variations in water hammer pressure during transitions of unit operational states are not taken into account. (2) Seasonal variations in water temperature inside the steel volute significantly affect the timing and spatial distribution of contact closure between the steel volute and concrete, and neglecting temperature effects may underestimate the stress level in the steel volute. (3) During operation, the steel volute and concrete jointly bear the internal water pressure. Cracking in the concrete weakens its restraining effect on the steel volute, leading to an underestimation of the stress level in the steel volute in calculations.

Key words： pumped storage power station; steel volute structure; low-cycle fatigue; load spectrum; rainflow counting method

0 引言

金属材料的高周疲劳指材料在低于屈服强度的应力下经10 000~100 000次以上循环而导致的破坏,低周疲劳则是接近或超过屈服强度的高应力经低于10 000~100 000次循环导致的失效。例如1984年大连石化爆炸事故是由脱丙烯塔与重沸器连通管焊缝因低周疲劳断裂,焊接质量低劣叠加装置频繁启停产生压力波动(0.588~1.715 MPa)而导致的。
抽水蓄能电站的运行方式与常规电站的主要区别在于其机组的频繁启停及工况转换。钢蜗壳作为抽水蓄能电站流道系统的末端,是流道系统中承受静水压力最大的部分,同时钢蜗壳还需要承担机组启停及工况转换过程中的动态水击压力。在电站2种工况转化时,频繁的充水和放空使其受到的静水压力会大幅循环变化,以电站日均3次循环计算,不到10 a内钢蜗壳就会经历104次循环,从而进入一般钢材易发低周疲劳失效的循环次数区间。在电力和峰谷差需求稳步增长的情况下[1],上述估算年限会进一步缩短,由此可见,对抽水蓄能电站钢蜗壳进行低周疲劳分析具有重要意义。
研究蜗壳结构的疲劳问题最终体现为疲劳寿命的预测,其中存在一个基础问题是如何科学地确定外荷载作用历程,即载荷谱。张启灵等[2]采用常幅值载荷谱尝试预测了钢蜗壳的低周疲劳寿命,但抽水蓄能电站钢蜗壳承担的内水压力循环载荷受电网调控,是一个典型的随机变化载荷,常幅值循环荷载的假定与电站实际运行情况存在差异。考虑到无限时长的随机疲劳载荷谱难以直接应用于结构分析,须要对载荷谱进行重组编排。国外已有相关标准[3-4]推荐了常用的载荷循环计数方式,如雨流计数法、峰值计数法等,可用于提取循环载荷的幅值、均值等统计特征。闫宏生等[5]利用雨流计数法对大型铺管船托管架监测点采集的随机载荷历程数据进行循环幅值、均值和循环次数的统计,得到的疲劳载荷谱与设计阶段的疲劳谱对比发现更适用于服役期间结构的实时安全评估。Liu等[6]利用雨流计数法对大型Kaplan涡轮机叶片杠杆的应力时间进行循环统计,计算了固定、摩擦和无摩擦接触条件下叶片杠杆的疲劳寿命。闵强等[7]提出了一种舰载机舰面载荷谱的编制思路,运用峰谷值计数法和等谷值计数法分别对重心过载进行统计计数,绘制了重心过载峰、谷值超越曲线。
本文以某抽水蓄能电站蜗壳结构为研究对象,采用商业有限元软件ABAQUS建立数值仿真模型并进行结构分析。在此基础上,基于nCode Designlife平台导入结构分析结果,探讨了蜗壳结构低周疲劳载荷的循环计数方式以及相关参数敏感性分析,以期对抽水蓄能电站蜗壳结构低周疲劳载荷的科学输入提供依据。

1 有限元模拟及计算

1.1 计算模型及材料参数

某抽水蓄能电站机组单机容量300 MW,蜗壳进水断面直径2.45 m,采用鞍钢供货的600 MPa级水电用钢,管壳厚度24~62 mm,最大设计内水压力6.86 MPa,最大静水压力4.91 MPa,保压水头为3.43 MPa,上水库正常蓄水位815.5 m、死水位782 m,下水库正常蓄水位413.5 m、死水位383 m,机组安装高程315 m。
以某机组为对象,建立三维有限元模型,如图1。
图1 有限元模型

Fig.1 Finite element model of the power unit and steel volute structure

混凝土结构和座环等结构采用八节点实体单元模拟,钢蜗壳、尾水管和闷头采用壳单元模拟。材料计算参数见表1。钢蜗壳与外围混凝土之间属于典型的面-面接触传力问题,在其之间定义小滑动接触力学模型模拟二者的接触力学行为,实现压力与摩擦力的传递,摩擦传递模型采用经典Coulomb模型,摩擦系数取0.25[8]。
表1 材料计算参数

Table 1 Material calculation parameters

材料 重度/(kN·m-3) 弹性模量/GPa 泊松比
混凝土 25.000 30.000 0.167
钢蜗壳 78.500 206.000 0.260
座环导叶 78.500 206.000 0.260

1.2 充水保压过程的模拟

目前国内外的抽水蓄能电站钢蜗壳均采用保压施工方式。保压施工过程是将蜗壳结构封闭,逐级向蜗壳内充水至内压达到设计值后停止充水,使蜗壳维持设计内压一段时间后浇筑外围混凝土,待混凝土固化再逐步卸去蜗壳内压,形成初始保压间隙。
参考上述蜗壳保压施工过程,在Abaqus平台实现步骤具体如下:①定义混凝土(C3D8单元)与钢蜗壳(S4单元)协调变形单元CONN3D2,赋予变形协调属性,加入外支撑,杀死蜗壳原有的外围混凝土,杀死接触单元;②施加保压水头,模拟蜗壳充水;③激活新浇筑混凝土单元,杀死新浇筑混凝土与钢蜗壳之间的变形协调单元,激活接触单元,施加新浇筑混凝土重力;④卸去保压,形成预压间隙;⑤杀死闷头,加载蜗壳内水压力。上述模拟方法的可靠性已在笔者团队的相关工作中通过物理模型试验结果进行了验证[9]。

1.3 接触状态分析

钢蜗壳与混凝土各阶段接触状态见图2,其中左边部分是俯视图,右边部分是底视图。模拟施工过程结束、卸去保压内水压力后钢蜗壳与混凝土的初始接触状态见图2(a)。可见卸去内水压力后,蜗壳上半部分位于碟边上面的一部分处于闭合状态。由于蜗壳与管内水的自重作用,钢蜗壳下半部分与部分支墩连接处基本处于闭合状态。
图2 钢蜗壳-混凝土间各阶段接触状态

Fig.2 Contact states between steel volute and concrete at different stages

当运行期内水压力加载至保压值时,钢蜗壳与混凝土的接触状态见图2(b)。可见保压间隙未完全闭合,其中大部分位于蜗壳与混凝土接触不平滑处。除蜗壳与机墩连接处有脱空外,蜗壳止推环位置到舌板上下边附近处也有大面积的脱空,这是由于钢衬外界约束条件的突变导致。
当运行期内水压力加载至最大静水压力时,钢蜗壳与混凝土的接触见图2(c)。最大静水压力作用下,除蜗壳鼻端部位小部分处于脱空外,蜗壳上下表面基本处于闭合状态。
上述加压过程中的间隙闭合行为表明蜗壳保压间隙在内水压力达到保压值时没有完全闭合,钢蜗壳-混凝土保压间隙的闭合呈现出滞后性,这与三峡[10]、二滩[11]等水电站充水保压蜗壳间隙闭合规律的原型观测结果一致,钢蜗壳局部区域承担的内水压力超出设计值,其应力水平会相应增大,加之频繁的循环往复作用,对钢蜗壳的抗疲劳性能不利。

2 钢蜗壳疲劳分析

2.1 疲劳分析软件nCode Designlife

nCode Designlife提供了广泛的兼容性,它可以读取Ansys、Abaqus等主流有限元分析软件的结果文件[12],并且提供了多种疲劳载荷计算方法,主要包括应力法、应变法、多轴疲劳、振动疲劳、焊缝疲劳和蠕变疲劳等分析方法。本文采用应力-寿命法,即通过材料的S-N曲线和载荷应力幅计算寿命。本文基于nCode Designlife平台,在有限元静力分析的基础上,计算钢蜗壳的疲劳寿命。

2.2 疲劳载荷输入

本文以钢蜗壳承担的静水压力循环作为时间序列载荷谱,nCode Designlife基于有限元计算结果,将时间序列加载至各节点,疲劳载荷计算公式为
σ i j ( t ) = ∑ k ( P k ( t ) F k + O f f s e t k ) σ i j , k , s t a t i c D k 　 。
式中:σij(t)为钢蜗壳结构各节点的应力(MPa);k是加载步序号;P(t)为输入的时间序列;Fk为时间序列载荷谱缩放因子;Offset为时间序列载荷谱偏移因子;σij,k,static为静态有限元结果;Dk为时间序列缩小因子。
在实际情况中,钢蜗壳内水压力变化是瞬态的,即输入的载荷谱可以简化为一个通道,计算仅采用一个载荷步即可[13]。基于实际的静水压力循环作为时间序列载荷谱,须将Fk设置为载荷谱最大值的倒数;Dk默认为1,Offset默认为0。为方便计算,将Dk设置为载荷谱最大值,式(1)可以简化为
σ i j ( t ) = P ( t ) D k σ i j , k , s t a t i c 　 。
为考虑多方向的应力导致的疲劳损伤,应力度量标准采用Abs Max Principal方法,即无论钢蜗壳在某一点上是拉伸还是压缩,只考虑该点出现的最大应力,能更加准确地评估钢蜗壳结构的高应力集中点。

2.3 平均应力修正

因钢蜗壳承受的不是对称循环疲劳载荷,所以将各点的应力幅值σa代入疲劳损伤计算前,要将其转化为对应标准的应力-寿命(S-N)曲线有效应力幅,即平均应力修正,本文疲劳计算均采用Goodman修正[14]。
材料S-N曲线依据钢蜗壳纵缝作为结构细节分类依据[15],选取Eu-rocode3-112,如图3所示,抗拉强度σuts按照钢蜗壳常用的压力容器钢16MnR的强度指标取500 MPa,作为S-N曲线的应力幅截距。
图3 材料S-N曲线

Fig.3 Material S-N curve

2.4 雨流计数法

雨流计数法是工程中应用最广泛的基于2个参数的循环计数方法之一,其原理是将时间轴视为重力方向,将时间-应力曲线视为多层顶板,雨流沿曲线的峰或谷流向时间轴[16]。具体的计数规则如下:①雨流从时间-应力曲线的峰或谷从上到下依次沿坡度向下流动。当峰值雨流在下落时遇到高于初始的峰值,或当雨流在下落时遇到低于初始的谷值停止流动,如图4(a)所示。②当雨流轨迹的起点和终点形成应力全循环时,取出并记录应力全循环的幅值和均值,残余时间-应力曲线重复上述步骤,直到没有残余数据为止,如图4(b)所示。最后得到所有雨流应力循环的结果,如图4(c)所示。
图4 雨流计数法计算流程

Fig.4 Calculation process of rainflow counting method

2.5 疲劳分析

2.5.1 疲劳载荷谱

(1)原型载荷谱与雨流计数载荷谱。抽水蓄能电站利用夜间(通常22:00至次日6:00)电网低谷时刻的低价电能将下水库的水抽至上水库,白天用电高峰时放水发电,起到削峰填谷的作用[17]。实际案例中0:00—7:00抽水,7:00—8:00停机,8:00—12:00发电,12:00—15:00关机,15:00—19:00发电,19:00—22:00关机,22:00—次日0:00抽水。基于上述一抽两发的运行方式,依据上下库水位监测数据,将水库水位与水轮机安装高程差作为钢蜗壳静水压力循环幅值编制载荷谱。
本文以2016年7月和2016全年水位监测数据作为时长编制载荷谱,时长分别为31 d和366 d。图5为其中某日钢蜗壳静水压力循环原始载荷谱。图中4.91 MPa和0.67 MPa分别为上库正常蓄水位和死水位运行时的钢蜗壳内水压力,即极端情况,水库实际运行水位在两者之间。
图5 钢蜗壳日静水压力变化曲线

Fig.5 Daily variation curves of hydrostatic pressure of steel volute

图6为经过雨流计数处理后钢蜗壳内水压力循环载荷谱统计直方图,2016年7月幅值范围在0.03~4.09 MPa之间,按循环幅值可分为幅值较小、均值较大和幅值较大、均值较小的载荷。2016年全年的幅值范围在0.03~4.25 MPa之间,也可以分为幅值较小、均值较大和幅值较大、均值较小的载荷。
图6 雨流统计直方图

Fig.6 Statistical histogram of rainflow counting

(2)常幅值载荷谱。常幅值蜗壳各节点的应力公式为
σ i j = ∑ k F k σ i j , k , s t a t i c 　 。
各节点在不同内水压力下的应力变化范围为 0.67 第 k 步 的 内 压σk,static~ 最 大 设 计 内 压 第 k 步 的 内 压σk,static,而上水库正常蓄水位、下水库死水位时蜗壳各节点的应力公式为
σ i j ( t ) = P ( t ) 4.91 σ i j , k , s t a t i c 　 。
(3)极大幅值载荷谱。分别假定一天内上水库处于死水位、下水库处于正常蓄水位和上水库处于正常蓄水位、下水库处于死水位2种极大幅值情况,编制载荷谱曲线见图7。
图7 钢蜗壳在两种极端水位下内水压力

Fig.7 Internal water pressure of steel volute under two extreme water levels

2.5.2 疲劳载荷编辑参数敏感性分析

为探讨雨流计数法的可靠性、循环幅值输入顺序和小幅值对重构载荷谱输入的影响,对不同内水压力的载荷步输入不同时长的原始载荷谱及重构载荷谱、极端情况载荷谱、常幅值载荷谱等计算,具体计算方案见表2。
表2 计算方案

Table 2 Calculation schemes

计算方案 载荷谱形式
方案一 2016年7月原型载荷谱
方案二 2016年7月原型载荷谱经雨流统计依据幅值
从小到大顺序重构载荷谱
方案三 在方案二基础上剔除0.03 MPa级别的小幅值
方案四 2016年7月原型载荷谱经雨流统计依据幅值
从大到小顺序重构载荷谱
方案五 在方案三基础上剔除0.03 MPa级别的小幅值
方案六 2016年全年原型载荷谱
方案七 2016年全年原型载荷谱经雨流统计依据幅值
从小到大顺序重构载荷谱
方案八 在方案七基础上剔除0.03 MPa小幅值
方案九 2016年全年原型载荷谱经雨流统计依据幅值
从大到小顺序重构载荷谱
方案十 在方案九基础上剔除0.03 MPa小幅值
方案十一 常幅值载荷谱
方案十二 上库正常水位、下库死水位编制一日载荷谱
方案十三 上库死水位、下库正常水位编制一日载荷谱
为简化计算,仅考虑3.087 MPa及以上的内水压力,图8(a)、图8(b)分别是输入方案一、二、三、四、五和方案六、七、八、九、十对应的载荷谱计算结果柱状图。
图8 不同时间长度的疲劳寿命柱状

Fig.8 Bar charts of fatigue life for different time durations

经雨流统计后,依据方案二、四对比方案一和方案七、九对比方案六,重新编制的载荷谱与原型数据载荷谱两者计算得到的疲劳寿命结果相差不大,2016年7月和全年的疲劳寿命相对误差分别在2.15%~2.28%和2.33%~2.43%,验证了雨流计数法的可靠性,同时可以说明循环幅值的排列顺序对疲劳载荷的输入影响较小。
在幅值大小已经排列好的基础上,剔除0.03 MPa级别的幅值较小而均值较大的载荷再计算,得到7月份与全年的结果均与其雨流统计后幅值从大到小排列计算的一致,可以说明钢蜗壳疲劳寿命受极小幅值循环载荷的影响较小。
图9为不同情况下钢蜗壳疲劳寿命过程线。以常幅值载荷谱与上库正常水位、下库死水位计算得到的疲劳寿命做对比,依据上一小节两者各节点的理论应力公式:钢蜗壳加载至最大静水压力前,常幅值输入计算的各节点应力范围更小,相应的疲劳寿命就大;在钢蜗壳加载至最大静水压力后,常幅值输入计算的各节点应力范围更大,相应的疲劳寿命就越小。
图9 不同方案下钢蜗壳疲劳寿命曲线

Fig.9 Fatigue life curves of steel volute under different schemes

无论是以原型监测数据作为载荷谱输入还是极大幅值的情况编制载荷谱输入计算,疲劳寿命均在634 a以上,钢蜗壳在电站运行期内均无低周疲劳失效风险。
图10为最大静水压力下钢蜗壳主应力分布,图11为最大静水压力下2016全年原型载荷谱得到的疲劳寿命预测结果。可见:主应力较大区域与预测的疲劳寿命较短部位是对应的,管节的焊缝处是疲劳寿命较短的部位,应成为结构抗疲劳设计的重点。
图10 最大静水压力下钢蜗壳主应力分布

Fig.10 Principal stress distribution of steel volute under maximum hydrostatic pressure

图11 最大静水压力下2016全年原型载荷谱疲劳预测结果

Fig.11 Fatigue prediction results of prototype load spectrum in 2016 under maximum hydrostatic pressure

2.5.3 讨论

(1) 通过与原型载荷谱疲劳寿命预测结果的对比,雨流计数编制载荷谱方式的可靠性得到了验证,雨流计数的循环幅值顺序和极小幅值载荷对疲劳寿命预测结果的影响较小,雨流计数方式可以作为钢蜗壳低周疲劳载荷的简化输入方式之一。常幅值载荷谱与原型载荷谱的疲劳寿命预测结果接近,对于该电站,常幅值载荷可以作为疲劳载荷的简化输入方式。但需要指出的是,该电站水位消落深度较小,无论是原型载荷谱、雨流计数载荷谱、常幅值载荷谱,循环幅值的变化范围均较小,对于水位消落深度较小的电站,钢蜗壳疲劳载荷谱可简化为常幅值方式,但对于水位消落深度相对较大的电站,上述结论是否适用还需要进一步研究。
(2) 本文的结果可以对钢蜗壳低周疲劳载荷谱的编制提供一定的参考,根据预测结果,电站运行期内无低周疲劳失效的风险,但本文的计算尚存在一些不足之处,可能会使预测结果偏大,原因有三:①仅考虑了静水压力对钢蜗壳的影响,机组运行状态转换时水击压力变化尚未考虑。②文献[18]基于运行期钢蜗壳温度监测结果研究钢蜗壳-混凝土接触关系的变化规律、结构承载特性,结果表明钢蜗壳内季节水温变化对钢蜗壳-混凝土接触闭合时机及空间分布影响显著,不考虑温度作用可能会低估钢蜗壳的应力水平。③计算的钢蜗壳保压值为3.43 MPa,而钢蜗壳在上水库死水位时的内水压力已经超过了保压值,属于钢蜗壳与混凝土联合承载内水压力。如若在运行期混凝土存在开裂情况,会削弱对钢蜗壳的约束作用,计算得到钢蜗壳的应力水平偏低。

3 结束语

本文以某抽水蓄能电站充水保压蜗壳结构为例,在Abaqus有限元平台完成了该组合结构的静力分析。分析结果表明,运行期钢蜗壳局部的脱空会对其自身产生不利影响,钢蜗壳初始保压间隙的滞后闭合会影响结构的稳定性和耐久性。依据该分析结果,基于nCode Designlife疲劳分析平台,利用不同时间长度的水库水位监测数据作为钢蜗壳内水压力作为原型载荷谱输入,再利用雨流计数法对原型载荷谱进行处理、重构载荷谱。其中原型载荷谱计算的疲劳结果与依据幅值大小顺序重构的载荷谱计算的疲劳结果相对误差在2.43%以内,说明了雨流计数法对载荷谱处理的可靠性。再在重构的载荷谱基础上剔除小级别的幅值,并以上下水库2种理论极端情况和采用常幅值的计算方法对钢蜗壳疲劳结果进行比对,从对比的结果看小幅值对钢蜗壳的疲劳影响较小,电站运行期内钢蜗壳不存在低周疲劳失效风险。
本文的算例在建模和疲劳载荷输入等方面存在尚未考虑的问题,但对于在建和拟建的抽水蓄能电站安全设计看,研究载荷谱输入方式对钢蜗壳的抗疲劳设计、电站的安全评估等有帮助。

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