坝内埋管极限状态及设计方法研究

论文摘要

水工非杆系结构是工程上广泛采用的结构形式。由于此类结构形式的复杂性,目前尚无成熟的工程设计方法。钢衬钢筋混凝土坝内埋管结构是非杆系构件中的重要一类,随着坝工技术的发展,大坝高度的不断增加,其重要地位也越来越突出。在实际情况中,坝内埋管的荷载水平不可能超过设计荷载。大量的调查和研究表明,结构在设计荷载作用下,受拉区混凝土远没有完全开裂,钢衬、钢筋也未受拉屈服,受压区混凝土没有压坏,钢衬、钢筋也未受压屈服。因此,对于水工非杆系结构,不能简单地像杆系结构那样将混凝土或钢筋达到材料强度时的应力状态作为设计依据。由此可见,现有的设计理论和方法已难以满足工程要求,这就需要研究埋管结构的破坏机理,建立新的极限状态评价方法,并以此提出相应的结构设计方法。 本文密切结合工程实际,收集了大量坝内埋管结构资料,对其进行了归纳和分析,结合现有理论,选取了具有代表性的计算模型。基于弹塑性理论,采用考虑混凝土应变硬化的有限元程序ANSYS对钢衬钢筋混凝土管道进行了全过程分析,确定了坝—管间相互作用的拉应变状态。计算结果表明,在设计内水压力荷载的作用下,管周混凝土未出现裂缝或局部出现细小裂缝,结构部分处于塑性阶段。因此,本文提出以管周混凝土拉应变值来定义坝内埋管极限状态的建议,认为当拉应变达到某一特定值时的状态为埋管结构的极限状态,超过极限值我们就通过改变埋管特征和材料用量来降低应变值。 本文研究了不同极限拉应变的混凝土材料、不同管顶混凝土厚度和管径的比值、不同钢材用量和温度荷载,对管周混凝土拉应变的影响。在分析现有极限状态现状的基础上,结合实际数据和仿真计算的结果,归纳出了既简便又省时的管周混凝土拉应变图表方法。并用实际工程算例进行了说明。 本文的分析建立在对实际工程中的坝内埋管结构进行归纳总结的基础上,所得到的规律和结论可为今后的实际工程设计和理论研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 非杆系结构概述
• 1.1.1 非杆系结构的内容和特点
• 1.1.2 水工非杆系结构分析方法的研究现状
• 1.1.3 目前采用的设计方法和存在的问题
• 1.1.4 解决此类构件现有问题的方法
• 1.2 钢衬钢筋混凝土坝内埋管的结构形式
• 1.3 坝内埋管的设计原理和方法
• 1.4 现行设计方法存在的问题
• 1.5 坝内埋管研究概况
• 1.6 本文研究的内容、意义和方法
• 第二章 有限元模拟基础
• 2.1 ANSYS简介
• 2.2 一般问题的ANSYS分析步骤
• 2.3 有限元模拟的要求
• 2.4 单元类型
• 2.4.1 钢筋混凝土
• 2.4.2 钢衬
• 2.4.3 联结单元
• 2.5 本构关系
• 2.5.1 基本假定
• 2.5.2 混凝土的本构关系
• 2.5.3 钢衬和钢筋本构关系
• 2.5.4 联结单元的本构关系
• 2.6 需要注意的问题
• 第三章 坝内埋管的受力过程和破坏特征研究
• 3.1 实际坝内埋管的资料收集、分析
• 3.2 坝内埋管的结构模型试验研究分析
• 3.3 用ANSYS模拟坝内埋管受力状态与试验值相比较
• 3.3.1 模型设计及材料性能
• 3.3.2 计算模型的建立
• 3.3.3 比较模型试验和计算分析的结果
• 3.4 坝内埋管模型的建立和计算
• 3.4.1 管侧环向应变为控制应变时的破坏形态
• 3.4.2 管顶环向应变为控制应变时的破坏形态
• 3.4.3 计算结果分析
• 3.5 小结
• 第四章 各因素对埋管管周混凝土拉应变的影响
• 4.1 混凝土极限拉应变的影响
• 4.1.1 建立模型及分析
• 4.1.2 影响混凝土极限拉应变的因素
• 4.2 管顶混凝土厚度和管径的比值的影响
• 4.3 钢材用量的影响
• 4.4 温度应力的影响
• 4.4.1 坝内埋管的温度场变化过程
• 4.4.2 建立模型及分析
• 4.5 小结
• 第五章 坝内埋管极限状态设计方法
• 5.1 概述
• 5.2 坝内埋管的极限状态
• 5.3 坝内埋管的设计方法
• 5.4 坝内埋管的设计步骤
• 5.5 算例
• 第六章 研究成果总结及研究展望
• 6.1 研究成果总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢