预应力卵形结构设计与风载特性分析

论文摘要

预应力卵形消化池因其工艺、结构、节能等方面的优点，逐渐成为环保工程中污水处理池的发展方向。本文针对这一结构类型结合实际工程对结构设计的一些问题和风荷载特性进行了研究。在结构设计方面，利用解析法进行薄膜内力和边界弯曲效应的分析，并利用有限元分析结果加以验证，同时给出内力计算的简易公式；利用薄膜内力计算公式对结构进行了形状优化，并得到壳厚的计算可近似取为沿高度线性变化；利用内力计算的简易公式推导了预应力筋的定量布置近似公式；采用规范公式对游动锚无粘结预应力筋的预应力损失和有固定端无粘结预应力筋的预应力损失进行了分析计算，并应用预应力损失的计算结果，采用等效荷载法计算各个位置的等效荷载；依据工程背景建立了单元类型不同的两种有限元模型，壳壁分别采用壳单元和实体单元，并利用有限元模型分析计算了以下各工况作用下的应力分布：水压作用、自重作用、内部气压作用、壁面温差作用、中面升温作用以及环向和竖向预应力筋作用，同时对预应力张拉阶段的工况组合、使用阶段的工况组合以及最不利工况组合进行了分析。在风荷载特性方面，采用CFD数值模拟得出单体风压系数和体型系数分布，并给出了顺风向阻力和总升力；同时对CFD数值计算的结果通过插值计算代入有限元模型进行应力分析，给出了风荷载作用下Mises等效应力分布并分析了危险截面。本文工作重在理论计算分析，目的在于对工程实践提供一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 壳体结构理论
• 1.3 无粘结预应力技术
• 1.4 本文工程背景
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 卵形壳解析计算
• 2.1 薄壳理论的基本假设
• 2.2 卵形曲面的几何和应力描述
• 2.3 无约束卵形壳的静定方程
• 2.4 水压作用下内力的解析计算及其与有限元法结果的对比
• 2.5 弯曲效应的计算以及与数值模拟结果的对比
• 2.6 本章小结
• 第3章 结构形状优化
• 3.1 消化池的工艺要求及约束条件
• 3.2 消化池的形状参数
• 3.3 壳厚设计
• 3.4 第一种约束条件下的优化设计
• 3.5 第二种约束条件下的优化设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 内力简易计算和预应力筋布置
• 4.1 底部约束条件下的内力计算
• 4.2 环向预应力筋的定量布置
• 4.3 竖向预应力筋的定量布置
• 4.4 本章小结
• 第5章 有限元建模及预应力损失分析
• 5.1 有限元模型的建立
• 5.2 预应力损失的计算
• 5.3 预应力等效荷载的施加
• 5.4 本章小结
• 第6章 各个工况下消化池的应力分布
• 6.1 水压作用下的应力分布
• 6.2 自重作用下应力分布
• 6.3 气压作用下的应力分布
• 6.4 壁面温差2.275度（内表面温度高）时的应力分布
• 6.5 中面升温2.5度时的应力分布
• 6.6 环向预应力筋作用下的应力分布
• 6.7 竖向筋作用下的应力分布
• 6.8 组合荷载作用下的应力分布
• 6.9 本章小结
• 第7章 风荷载数值模拟
• 7.1 引言
• 7.2 数值模型的建立
• 7.2.1 控制方程
• 7.2.2 近壁区处理及离散格式
• 7.2.3 几何模型及网格的划分
• 7.2.4 大气边界层的模拟
• 7.3 计算结果分析
• 7.3.1 压力系数分布
• 7.3.2 合力计算与体型系数
• 7.4 风荷载作用下应力分布及危险截面
• 第8章 结论和建议
• 1.本文工作总结
• 2.本文不足及建议
• 参考文献
• 致谢