保压蜗壳结构非线性仿真分析

论文摘要

保压蜗壳结构的特点是在钢蜗壳充水加压的状态下浇筑外围混凝土,待外围混凝土完全凝固后卸去保压水头,钢衬收缩与外围混凝土形成缝隙,又称部分联合承载蜗壳。充水保压蜗壳结构可以根据保压水头值来调整结构的荷载分配,可以充分发挥钢材的材料特性,使结构的受力分配更加合理,因此在实际工程中得到了广泛的应用。在以往对保压蜗壳结构的分析研究中,采用了许多假设条件,致使计算结果并不能真实的反映保压蜗壳结构的工作和受力特点。针对这个问题,本文以通用有限元软件ABAQUS为平台,通过建立仿真模型,对充水保压蜗壳结构进行了三维非线性仿真分析,本文做了以下几方面的工作:(1)采用简化的方法,对充水保压蜗壳结构的三维有限元模型进行了非线性计算分析,得到了简化方法下蜗壳外围混凝土应力分布规律及损伤情况,钢筋的应力及其分布规律。(2)建立了考虑充水保压过程的仿真计算模型,模拟了保压蜗壳结构充水加压、保压浇筑外围混凝土、卸去保压水头、逐级加载工作水头的完整过程,得到仿真方法计算下钢衬及钢筋的应力分布规律、外围混凝土的应力分布规律及损伤情况,以及钢衬与外围混凝土之间缝隙的变化情况。并将计算结果与简化方法的计算结果进行了比较,探讨了两者存在差异的主要原因。(3)在钢衬的厚度及配筋率不变的情况下,取不同的保压水头,采用仿真方法对充水保压蜗壳结构的平面轴对称模型进行了非线性分析,计算目的为研究保压水头对钢衬与钢筋应力的影响,不同的保压水头下钢衬与外围混凝土之间缝隙的情况,以及不同保压值下混凝土的损伤情况,为实际工程中合理选取保压值作参考。本文在建模及计算过程中尽可能真实地模拟保压蜗壳结构的实际工作状况,通过数值计算得出了一些有益结论,为实际工程提供了一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 蜗壳结构形式及其特点
• 1.2.1 垫层蜗壳
• 1.2.2 保压蜗壳
• 1.2.3 直埋蜗壳
• 1.3 保压蜗壳结构研究的现状与存在的问题
• 1.3.1 保压蜗壳结构研究的现状
• 1.3.2 保压蜗壳结构研究存在的主要问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 研究的理论基础和方法
• 2.1 有限元分析方法简介
• 2.1.1 有限元分析方法的基本理论
• 2.1.2 有限元分析基本步骤
• 2.2 混凝土的本构关系模型
• 2.2.1 混凝土单轴力学性能
• 2.2.2 混凝土塑性损伤模型
• 2.3 非线性方程组的解法
• 3 保压蜗壳结构简化算法
• 3.1 关于简化算法
• 3.2 计算模型与条件
• 3.2.1 计算范围
• 3.2.2 计算模型简化
• 3.2.3 配筋方案
• 3.2.4 材料特性
• 3.2.5 边界条件与荷载分布
• 3.3 计算结果与分析
• 3.3.1 钢筋应力
• 3.3.2 混凝土应力
• 3.3.3 混凝土损伤分析
• 3.4 小结
• 4 保压蜗壳结构的非线性仿真分析
• 4.1 保压蜗壳的施工技术
• 4.2 仿真方法
• 4.3 计算模型与荷载
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 计算荷载步
• 4.4 计算结果与分析
• 4.4.1 钢衬的应力
• 4.4.2 钢筋的应力
• 4.4.3 保压缝隙值分析
• 4.4.4 蜗壳外围混凝土应力
• 4.4.5 混凝土损伤分析
• 4.5 小结
• 5 不同保压值方案蜗壳结构研究
• 5.1 蜗壳预压水头的选取原则
• 5.2 计算模型与方案
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 计算方案与荷载
• 5.3 钢衬的应力
• 5.4 钢筋的应力
• 5.5 保压缝隙分析
• 5.6 混凝土损伤分布
• 5.7 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢