桩基梁式多侧墙预应力渡槽基于体系可靠度的优化设计

论文摘要

渡槽是在渠道跨跃山谷、河流、道路（低于渠道）或与另一相交渠道时,采用的一种架空输水建筑物,有着悠久的发展历史,国内外设计施工技术较为成熟。但随着我国跨流域调水工程的兴建,大型、超大型渡槽展现出广阔的应用前景,渡槽的结构型式和三维尺度均发生了前所未有的变化。与以往输水灌区上的渡槽相比,近年来我国南水北调工程中的渡槽,为了满足大跨度、大流量输水需要,表现出槽身宽、高、跨三维尺度空前巨大。由此导致了其迥然不同的结构特征：一是结构型式新颖独特（如槽身断面有多侧墙式、多纵梁式、矩形空腹梁式等等）；二是巨大槽身的横向挠曲和侧向抗风稳定等成为不可忽视的问题,以往的设计理论变得滞后和不相适宜；三是：巨大槽身多采用三维预应力结构提高其承载能力,软基上承受渡槽巨大水荷载时多采用桩基承载系统。上述变化使得新型渡槽在设计、施工、运行管理等方面均面临诸多新问题。目前工程设计主要采用的是单一构件的安全系数法,即将结构体系分解为诸多单一构件,分别按确定性的安全系数准则设计,保证单一构件的安全性。这将使所设计的结构与其实际情况在如下方面不相吻合：（1）工程运行时实际上是以整个结构体系面对外界作用,遭遇偶然作用（如洪水、地震等）时更是如此,而单一构件安全,不能保证整个结构体系安全,提高构件的承载力,不一定能够提高整个体系的承载力。（2）结构在设计、施工、运行期间将受到诸多不确定因素的影响（如荷载的变异、材料性能的变异、工作条件的变异等等）,尤其是渡槽新型式、新技术、新方法的首次使用更是如此,而在安全系数法设计中,无法考虑上述不确定因素的影响。鉴于上述,本文针对南水北调工程中多用的桩基梁式多侧墙预应力渡槽,开展了如下方面的研究：（1）对大宽跨比的槽身结构,进行了变形相容条件下的纵横向分载研究,得到了水荷载在纵横梁间的分配比率；（2）利用分载结果,同时将影响结构体系安全的因素处理为随机变量,开展了基于体系可靠度的渡槽结构优化研究,所得优化结果在降低建造费用的前提下,提高了体系的可靠度及各构件（以主要失效模式代表）问可靠度水平的一致性；（3）对渡槽结构体系分为“槽身+槽墩”及“承台+桩基”两大模块,进行ansys三维有限元建模,对优化前后的渡槽结构体系进行了结构静力分析研究,证实了渡槽优化结果的合理性和实用性。本文方法对此类工程设计理论与方法的完善及工程运行实践,能够提供有价值参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文的研究目的和意义
• 1.2 基于结构体系可靠度优化设计简述
• 1.3 国内外研究概况
• 1.4 渡槽设计的发展
• 1.5 本文的研究工作
• 1.6 本章小结
• 第2章 结构可靠度的概念和原理
• 2.1 结构可靠度的基本概念
• 2.1.1 结构功能函数
• 2.1.2 结构极限状态
• 2.1.3 结构可靠度与可靠指标
• 2.2 结构可靠度的分析方法
• 2.2.1 中心点法
• 2.2.2 验算点法
• 2.2.3 蒙特卡罗法
• 2.3 结构体系可靠度理论
• 2.3.1 基本概念
• 2.3.2 分析方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 结构优化设计概论
• 3.1 设计变量
• 3.2 约束条件
• 3.3 目标函数
• 3.4 最优化问题的一般表达式
• 3.5 结构优化设计的计算方法
• 3.6 本章小结
• 第4章 ANSYS的基本理论与应用
• 4.1 ANSYS简介
• 4.2 ANSYS应用
• 4.3 本章小结
• 第5章 实例分析
• 5.1 实例基本资料
• 5.2 渡槽体系的力学分析
• 5.2.1 设计优化步骤
• 5.2.2 预应力的施加
• 5.2.3 ANSYS建模
• 5.2.4 水荷载的分配
• 5.3 优化约束方程及优化模型
• 5.3.1 优化设计变量及函数
• 5.3.2 极限状态方程
• 5.3.3 结构优化约束方程
• 5.4 优化实例分析
• 5.4.1 实例结果分析
• 5.4.2 ANSYS结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 本文的主要研究工作和成果
• 尚需进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果