回填土与箱形倒虹在多种工况下互相作用的有限元分析

论文摘要

南水北调工程是为了缓解北方地区缺水现状而规划设计的大型跨流域引水工程。由于沿途地势复杂,渠道主干线要与众多河流交叉,因此倒虹吸在整个南水北调工程中就占据了重要的地位。在完工后,倒虹吸结构与土体相互影响,这些相互作用无法忽视,尤其是这种关系国计民生的重要工程。倒虹吸管与土的材料特性相差悬殊,在原有土体中建造这种大型结构,再回填土,这些回填土对倒虹吸结构的影响是不能忽视的,这种相互影响非常值得深入研究。一般涉及到地下工程的时候,传统上仅把土体作为一种荷载来计算的。对土体本身的变形和受力规律研究较少。本文在此思想下开展此项模拟研究,来充实这一领域的研究成果。土体的本构模型有许多种,本文通过对比选取了一种常用的本构模型用于ANSYS的建模。而模型的建立能正确合理的反映实际工程的同时,也要追求尽可能的简化,本文的模型尺寸是在参考弹性地基梁法的基础上选定的。ANSYS是当今运用非常广泛的一款大型通用有限元软件。它的强大计算分析能力和直观、简便的图形界面为设计人员节省了很多时间。本文论述了用此软件如何建模,提取了不同回填土时的位移场和应力场,结果令人满意。通过对三种回填土的位移场和应力场的对比分析,可以看出每种土体的沉降变形过程和结构的受力特征,为设计部分进行经济技术比较和方案选定提供了可视化和可量化的设计参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义及目的
• 1.2 倒虹吸结构研究
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 倒虹吸结构的主要布置形式
• 1.2.3 倒虹吸管横断面的主要形式
• 1.2.4 倒虹吸管荷载和结构计算的研究方法
• 1.3 本章小结
• 第二章 结构与土相互作用的理论分析
• 2.1 本构关系的定义
• 2.2 土体的本构模型的种类
• 2.2.1 弹性模型-----Winkler、弹性半空间、分层地基
• 2.2.2 非线性弹性模型-----D-C
• 2.2.3 弹塑性模型------剑桥模型
• 2.2.4 Drucker-Prager模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 有限元理论和有限元软件介绍
• 3.1 有限单元法的基本原理概述
• 3.2 数值模拟的优缺点
• 3.2.1 数值模拟的优势
• 3.2.2 数值模拟的缺点
• 3.3 有限单元法的求解步骤
• 3.4 ANSYS软件的简介
• 3.5 本章小结
• 第四章 工程概况和具体设计计算
• 4.1 本工程设计依据
• 4.1.1 建筑物级别及洪水标准
• 4.1.2 基本设计资料
• 4.2 工程选址
• 4.2.1 建筑物轴线选择
• 4.2.2 工程位置的确定
• 4.2.3 河道行洪口门宽度的确定
• 4.3 主要建筑物型式
• 4.3.1 交叉建筑物型式的确定
• 4.3.2 倒虹吸管结构型式选择
• 4.4 工程总体布置及建筑物
• 4.4.1 工程总体布置
• 4.4.2 建筑物
• 4.5 水力设计
• 4.5.1 倒虹吸进、出口渐变段长度计算
• 4.5.2 倒虹吸管进、出口底高程的确定
• 4.5.3 倒虹吸管水力计算
• 4.6 倒虹吸管身结构设计
• 4.6.1 荷载及荷载组合
• 4.6.2 荷载计算
• 4.6.3 管身稳定计算
• 4.7 本章小结
• 第五章 模型的建立及分析对比
• 5.1 模型尺寸的确定
• 5.2 位移边界条件
• 5.3 倒虹吸管的荷载计算
• 5.3.1 垂直土压力与外水压力
• 5.3.2 水平土压力和水平外水压力
• 5.3.3 结构中钢筋的处理
• 5.4 建立实体模型
• 5.4.1 模型的基本参数
• 5.4.2 模型的网格划分
• 5.4.3 荷载的施加
• 5.5 计算结果对比分析
• 5.5.1 正常输水下三种回填土沉降量的对比
• 5.5.2 检修状态与正常输水状态下的沉降量对比
• 5.5.3 三种回填土下倒虹吸管的应力场
• 5.6 本章小结
• 结论和展望
• 结论
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介及攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果