大型梁式矩形渡槽结构分析中若干关键问题研究

论文摘要

渡槽（输水桥）是连接输水渠系,跨越山川、河谷、道路的架空交叉输水建筑物,在水利工程中具有很重要的地位。随着材料和施工技术的发展,渡槽规模越来越大。南水北调属于国家重点工程,大规模跨流域长距离的输水,将兴建一批大中型渡槽,其过水流量、水深及水荷载均很大,规模居于世界前列。相比之下对大型梁式矩形渡槽的研究却远远滞后,特别是对箱形槽身的日照温度场和温度应力、多纵梁渡槽的受力特性及结构形式的选择、梁式渡槽的动力特性研究很少。本文第二章以深圳水库渡槽工程为例,分析了箱形渡槽产生日照温差的原因,给出了渡槽日照温度场的初始条件和边界条件,运用有限元分析理论,建立了平面分析模型,借助有限元软件对渡槽日照温度作用效应进行有效的仿真模拟,可以看出箱梁的日照温度分布比较复杂,从箱形槽身各板的温度分布来看,顶板温度变化最剧烈,腹板次之,底板最小。顶板外表面大约在中午14时左右出现最高温度,东腹板外表面大约在上午11时左右出现最高温度,西腹板外表面大约在15时30分左右出现最高温度,底板外表面大约在15时左右出现最高温度。利用温度场计算结果拟合了箱形渡槽截面竖向、横向及板厚方向的温差二次曲线,并给出了各曲线参数的取值。并指出本文拟合的温差二次曲线与相关规范的指数分布温差曲线相比更符合箱形渡槽的实际温度分布趋势,可作为温度应力计算的依据。本文第三章分析了混凝土箱形渡槽结构在日照温度变化下的温度应力。通过有限元计算分析表明：截面宽度方向最大拉应力出现在顶板下缘,截面高度方向最大拉应力出现在腹板内壁处,截面槽身长度方向最大拉应力出现在腹板内壁角隅处；腹板上部角隅处（内缘）纵向拉应力较大,沿腹板从上至下纵向拉应力逐渐减小；顶板外缘纵向压应力值最大。由此可知：日照温差作用下混凝土箱形渡槽槽身内表面将产生可观的温度应力,其值已超过混凝土的抗拉设计强度。所以,在箱形渡槽槽身结构设计中对日照温差作用下的温度应力必须予以重视,在设计中应配置适当的温度钢筋。本文第四章针对大型多纵梁强联系结构的受力特性,对多种结构分析方法进行对比,指出在渡槽复杂空间结构设计时,可采用作者提出的“实用空间法”计算内力并进行配筋设计,用三维实体有限元方法校核主要受力断面的应力状态。具有大边梁的多纵梁矩形渡槽其侧墙兼做纵梁用,充分利用侧墙刚度大的特点,使横向挡水和纵向承重结合在一起,可以大大提高边纵梁的刚度和承载能力,再加之截面刚度较大的横梁对纵梁间荷载的分配,使中间纵梁的受力减小,这样能充分发挥边纵梁的抗弯能力,可以有效的减小水荷载对中纵梁的作用,减小其跨中弯矩和应力,从而增加渡槽的跨越能力,在大型渡槽的设计中应优先采用。本文第五章通过对流固耦合理论的研究,用等效的弹簧-质量系统（用Housner水体模型简化）来模拟流体与结构的动力相互作用,采用ANSYS大型通用商业软件对大型梁式渡槽抗震分析进行有限元计算。通过考虑水体晃动对大型梁式矩形渡槽横向地震反应的计算结果表明：槽体大质量水体的存在对渡槽的动力特性影响较大,水体的晃荡作用能够有效地减少水体自身的地震反应。若将水体视为刚体,质量全部加到槽体上,将严重地夸大水的地震惯性力作用。槽内水体的质量保持不变,槽身由单厢变为双厢时,渡槽中水体的自振频率和结构的自振频率随之变大,在地震波作用下墩顶最大位移、墩底最大弯矩和墩底最大剪力随之减小。分析了槽身断面深宽比对渡槽结构抗震的影响,当槽身按不同的深宽比变化时,墩顶最大位移、墩底最大弯矩和墩底最大剪力随之发生变化。所以,在渡槽槽身分厢和断面深宽比选择时应考虑其对墩身地震响应的影响,以减小渡槽墩身地震响应。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 箱形渡槽日照温度效应
• 1.2.1 箱形渡槽日照温度应力分析的必要性
• 1.2.2 国内外对箱形混凝土结构温度问题的研究现状
• 1.3 多纵梁矩形渡槽受力分析与结构形式的选择
• 1.3.1 多纵梁渡槽受力分析的必要性
• 1.3.2 多纵梁渡槽受力分析的国内外研究现状
• 1.4 渡槽的抗震问题
• 1.4.1 渡槽抗震分析的必要性
• 1.4.2 渡槽结构抗震分析国内外研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本文的创新点
• 2 日照作用下箱形渡槽温度场分析
• 2.1 引言
• 2.2 渡槽中的热交换
• 2.3 平面温度场的导热微分方程及求解条件
• 2.3.1 Fourier导热定律
• 2.3.2 热传导方程
• 2.3.3 热传导问题的定解条件
• 2.4 箱形渡槽温度荷载计算
• 2.4.1 太阳辐射强度计算
• 2.4.2 对流换热系数
• 2.4.3 辐射换热系数
• 2.4.4 综合换热系数
• 2.4.5 大气温度的考虑
• 2.4.6 箱梁边界温度载荷
• 2.5 箱形渡槽温度场分析与计算
• 2.5.1 ANSYS计算模型的建立
• 2.5.2 温度场计算结果
• 2.5.3 最小二乘法拟合温差二次曲线
• 2.5.4 渡槽温差二次曲线参数变化规律
• 2.5.5 渡槽温差二次曲线与相关规范温差曲线对比
• 2.6 小结
• 3 箱形渡槽温度应力分析与计算
• 3.1 温度应力的平面梁法
• 3.1.1 箱身纵向温差应力
• 3.1.2 箱身横向温差应力
• 3.2 温度应力的有限元方法
• 3.2.1 平面模型
• 3.2.2 实体模型
• 3.3 渡槽温度应力分布规律
• 3.3.1 顶板温度应力分布规律
• 3.3.2 腹板温度应力分布规律
• 3.3.3 底板温度应力分布规律
• 3.4 渡槽温度应力随不同板厚的变化规律
• 3.4.1 不同顶板厚度温度应力分布规律
• 3.4.2 不同腹板、底板厚度温度应力分布规律
• 3.5 小结
• 4 大型多纵梁矩形渡槽受力分析与结构形式选择
• 4.1 前言
• 4.2 多纵梁矩形渡槽结构受力的分析方法
• 4.2.1 有限元法
• 4.2.2 梁格分析法
• 4.2.3 实用空间法
• 4.2.4 方法点评
• 4.3 算例分析
• 4.3.1 原始资料
• 4.3.2 空间有限元法计算结果
• 4.3.3 实用空间法计算结果
• 4.3.4 计算结果分析
• 4.4 多纵梁矩形渡槽结构形式选择
• 4.4.1 普通多纵梁矩形渡槽的受力特征
• 4.4.2 具有大边梁的多纵梁矩形渡槽的受力特征
• 4.4.3 多纵梁矩形渡槽结构形式选择
• 4.5 小结
• 5 槽内水体晃动对渡槽横向动力响应的影响
• 5.1 引言
• 5.2 考虑流固耦合作用的动力计算方法
• 5.2.1 附加质量的应用
• 5.2.2 Housner流体简化模型的应用
• 5.2.3 边界元法
• 5.2.4 ALE有限元法
• 5.2.5 方法点评
• 5.3 渡槽横槽向水平地震作用计算模型
• 5.4 渡槽动力分析的计算方法
• 5.4.2 渡槽结构的自振特性计算理论
• 5.4.3 渡槽地震反应的动态时程分析法原理
• 5.5 槽身不同的深宽比对渡槽横向地震反应的影响
• 5.5.1 计算方案及材料参数
• 5.5.2 计算结果与分析
• 5.6 槽体分厢对渡槽横向地震反应的影响
• 5.6.1 计算方案及材料参数
• 5.6.2 计算结果与分析
• 5.7 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录