高边坡衬砌式船闸闸室结构计算方法研究

摘要

水路运输因运力大、成本低、可与多种运输方式结合等优点，受到人们广泛关注与重视。在航运需求日益增长及发展低碳经济的大背景下，新建、扩建的通航建筑物增多。船闸作为通航建筑物的主要型式，为使船舶畅通过坝，充分发挥水资源的综合利用效益。因此船闸的结构合理设计显得尤为重要。但是大中型船闸建设时常存在高边坡问题。高边坡一方面作为建设施工的基本环境，施工开挖打破对原有边坡平衡状态对岩土体产生扰动，如加以治理，可能产生失稳破坏;另一方面，船闸建成后运行时所受荷载可能影响高边坡的稳定性。高边坡船闸设计施工相对较为复杂，需同时考虑到船闸和高边坡稳定安全的问题。
　　本文结合某工程实例，借助ABAQUS有限元软件建立高边坡衬砌式船闸闸室有限元模型，分析各工况下的船闸闸室结构及地基应力应变情况，与船闸设计规范算法进行比较，为实际的船闸设计及类似的工程提供参考。具体工作与结论如下:
　　(1)针对飞来峡二、三线衬砌式船闸闸室，采用船闸设计规范的常规方法，计算不同载荷工况下的闸室结构抗倾与抗滑稳定系数、计算地基反力。
　　(2)采用有限元ABAQUS软件，对船闸闸室周围的岩体进行开挖前的地应力平衡分析，以及对开挖后整个岩体的应力重新分布情况进行研究，并将开挖后的闸室周围岩体应力分布结果作为下一步闸室整体有限元稳定性计算的依据。
　　(3)利用有限元软件ABAQUS建立船闸闸室及周围岩体和回填土的三维全尺度模型，分析各种载荷工况下的船闸结构应力和位移分布情况，核算断面强度，并计算地基反力及沉降，最后与解析法结果对比分析。结果表明:各个工况下拉压应力均小于混凝土抗压强度标准值，满足设计要求，地基应力分布情况基本不变，地基沉降基本在1mm以内，完全满足工程变形要求;其中要特别注意靠高边坡侧船闸底部出现应力集中区，应力为2.6Mpa左右。施工中应加强基坑支护，防止其破坏变形;解析法计算值相对较大，设计偏安全。有限元考虑到衬砌墙与岩基整体非线性接触，大型工程设计中可以考虑有限元与解析法相结合，指导实际设计。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 船闸闸室结构形式及组成

1．2．1 闸室现有结构型式

1．2．2 船闸的组成

1．3 船闸结构计算理论及研究现状

1．3．1 船闸结构计算理论

1．3．2 船闸结构计算方法研究现状

1．3．3 高边坡船闸研究动态

1．4 论文研究主要内容

1．5 本章小结

第二章 船闸结构内力解析法理论

2．1 作用荷载分析

2．2 闸室结构一般计算内容

2．2．1 强度计算

2．2．2 抗滑稳定验算

2．2．3 抗倾稳定性验算

2．2．4 抗浮稳定性验算

2．2．5 地基计算

2．3 衬砌式船闸计算

2．3．1 重力衬砌式闸墙计算

2．3．2 混合式衬砌墙计算

2．3．3 底板计算

2．4 本章小结

第三章 高边坡船闸工程解析法计算

3．1 飞来峡船闸工程概况

3．1．1 枢纽现状

3．1．2 新建的船闸规模

3．1．3 水文地质基本情况

3．1．4 船闸布置及建筑物设计

3．1．5 高边坡基本情况

3．2 高边坡衬砌式船闸解析法计算

3．2．1 完建工况结构计算

3．2．2 检修工况结构计算

3．2．3 校核工况结构计算

3．2．4 排水孔堵塞工况结构计算

3．2．5 正常工况结构计算

3．2．6 计算结果汇总

3．3 本章小结

第四章 高边坡船闸有限元建模研究

4．1 有限元原理及软件介绍

4．1．1 有限元基本原理

4．1．2 ABAQUS软件介绍

4．2 有限元建模研究

4．2．1 计算范围

4．2．2 确定材料模型与参数

4．2．3 边界条件处理

4．2．4 单元选取及网格划分

4．2．5 作用荷载及计算工况

4．3 本章小结

第五章 有限元分析及结果对比

5．1 初始地应力分析

5．1．1 地应力平衡概述

5．1．2 地应力平衡的结果分析

5．2 完建期有限元结果分析

5．2．1 完建期衬砌墙应力分布

5．2．2 完建期接触面工作状态

5．2．3 完建期衬砌墙位移分布规律

5．2．4 完建期地基应力及位移

5．3 检修工况计算结果

5．3．1 检修期衬砌墙应力分布

5．3．2 检修期接触接触面工作性态

5．3．3 检修期衬砌墙位移分布规律

5．3．4 检修期地基应力及位移

5．4 校核工况计算结果

5．4．1 校核工况衬砌墙应力分布

5．4．2 校核工况接触面工作状态

5．4．3 校核工况下衬砌墙位移分布规律

5．4．4 校核工况下地基应力及位移

5．5 排水管堵塞工况计算结果

5．5．1 排水管堵塞工况衬砌墙应力分布

5．5．2 排水管堵塞工况接触面工作状态

5．5．3 排水管堵塞工况下衬砌墙位移分布规律

5．5．4 排水管堵塞工况下地基应力及位移

5．6 正常运行工况计算结果

5．6．1 正常运行工况衬砌墙应力分布

5．6．2 正常运行工况接触面工作状态

5．6．3 正常运行工况下衬砌墙位移分布规律

5．6．4 正常运行工况下地基应力及位移

5．7 结果总结及对比分析

5．7．1 各工况结果总结

5．7．2 有限元法与解析法结果对比

5．8 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论著及取得的科研成果