金属薄壁圆柱壳在不均匀沉降下的稳定性能研究

金属薄壁圆柱壳广泛应用于土木工程中的储罐、筒仓等结构。建造在软土地基上的大型圆柱壳易产生各种沉降变形，其中周边不均匀沉降对壳体稳定最为不利。非均匀应力状态下薄壁圆柱壳的屈曲是当前国际上壳体结构领域的研究热点，但大多针对非均匀荷载条件，对非均匀支承问题的研究较少。本项目拟应用先进计算技术和现代实验手段，深入研究不均匀沉降下金属薄壁圆柱壳的稳定性能与设计方法。分别以理想化的沉降模型与实际工程的实测沉降为依据，系统分析薄壁圆柱壳在不均匀沉降下的非线性响应、屈曲性能与后屈曲性能，揭示圆柱壳在不均匀沉降下的失稳机理，建立考虑不均匀沉降的薄壁圆柱壳稳定设计方法以及考虑壳体结构响应的地基不均匀沉降控制标准。通过本项目的研究，可以丰富对非均匀应力状态下薄壳结构屈曲性能的深入认识，为立式钢储罐、平底钢筒仓等结构的经济合理设计提供科学依据，并为相关设计规范的制订提供参考。 2100433B

一个在上下两边作用着压力 σ的薄板或薄筒壳，在压力比较小时，其内部产生压应力和相应的压应变,而不产生侧向挠度ω。该板或壳由原来的不受力状态转为一个受力的平衡状态。给这一平衡状态以小干扰,比如给一个小的侧向挠度,板或壳中就会产生相应于干扰的应力和应变。在干扰消除后，因干扰引起的应力和应变立刻消失并使板或壳恢复到受干扰前的状态，因而称开始的受力平衡状态为稳定平衡状态。如使σ不断增加并大于某一数值后,干扰所引起的小挠度将迅速扩大，板壳受力的这种平衡称为不稳定平衡。如果板壳所承受的外载荷从小值逐渐增大，则板壳将由稳定平衡过渡到不稳定平衡，在两种平衡之间存在着一种过渡状态,称为临界状态,或称随遇平衡状态。这一状态所对应的外载荷称为临界载荷,其大小称为临界值,板壳内的相应应力称为临界应力,记为σcr 。失稳临界应力值与结构的构造形式、边界条件、材料性能、载荷大小及分布情况等多种因素有关。在结构设计中，应保证结构内的应力不超过临界值。

金属壳砖是一种在坯体表面施加金属釉后再经过1200℃以上的高温烧制而成的瓷砖，釉一次烧成强度高；耐磨性好；颜色稳定，不易被氧化，质量较轻，防火，而且环保。金属壳砖的用途：一可用在室外墙壁上作线条，点缀建筑物。二可用于室内局部装饰。

在水头高于40m以上的水电站中，由于强度的需要，一般采用金属蜗壳或金属钢板与混凝土联合作用的蜗壳。金属蜗壳按其制造方法，有焊接、铸造、铸焊三种类型。

埋入部件焊接蜗壳

这种蜗壳，包括座环在内全部用焊接结构，钢板沿着整个圆周焊接到座环的上、下蝶形边上。一般用在尺寸较大的中低水头电站的混流式水轮机中。焊接蜗壳由若干个节组成，每节又由几块钢板拼成，整个蜗壳的装配和焊接在工地安装时进行。工厂只完成钢板下料和卷制成单个环形节。焊接蜗壳的节数不应太少，否则将影响蜗壳的水力性能。钢板的厚度应根据有关强度计算确定，通常蜗壳进口断面厚度较大，越接近鼻端厚度越小。同一断面上钢板厚度也不相同，在接近座环上、下端的钢板较在断面中间的要厚一些。焊接

蜗壳的焊缝应尽量减少，遇到十字交错焊缝时必须错开300mm以上。

焊接蜗壳平面尺寸较大，需全部埋入混凝土中。由于蜗壳壁薄、刚性差，不能承受外部荷载，所以在蜗壳上部与混凝土之间。一般要铺设由沥青、石棉、毛毡等材料组成的弹性垫层，以避免水压直接传递到混凝土上和上部基础传来的外荷载直接作用在蜗壳上。目前，对于大型机组埋设蜗壳，多采用充水保压新技术，取消了弹性垫层，增强了蜗壳的刚度，如三峡机组蜗壳即采用了这一新技术。

埋入部件铸造蜗壳

这种蜗壳的刚度较大，能承受一定的外压，常作为水轮机的支承点并在它上面直接布，置导水机构及其传动装置。铸造蜗壳一般不全部埋入混凝土。根据应用水头不同，铸造蜗壳可采用不同的材料，水头小于120m的小型机组一般用铸铁件，水头大于120m时则多用铸钢制作。

埋入部件铸焊蜗壳

这种蜗壳与铸造蜗壳一样，适用于尺寸不大的高水头混流式水轮机。铸焊蜗壳的外壳用钢板压制而成，固定导叶的支柱和座环一般是铸造，然后用焊接方法把它们联成整体。焊接后需进行必要的热处理以消除焊接应力。

大中型机组的蜗壳上设有进入孔和排水孔。一般进入孔直径为650mm，位置设在蜗壳的底部，并与蜗壳圆形断面中垂线成15°，这样是为了打开进入门时不会有积水漏出。

另外，在蜗壳内部最低处，均设有排水阀，以便检修时排出积水。在厂房的基础上，设有若干个均布的支墩，用于安放蜗壳，并用千斤顶和拉杆拉紧，把金属蜗壳牢固地固定在基础上，以免浇注混凝土时蜗壳位置变动 。