预应力混凝土渡槽结构优化设计及有限元分析

摘要

预应力钢筋混凝土矩形渡槽是我国渡槽建设常用的结构形式之一，但是，随着渡槽结构规模的增大，渡槽受力的复杂性将随之增加，需要研究认识其中的变化规律，使结构各构件充分发挥其自身的受力特性，从而达到安全、经济及合理的设计目标。
　　结构优化设计作为一种寻找最优设计方案的技术，从20世纪60年代初开始，一直是结构设计领域中的热门课题。通过结构优化设计能够使结构达到既经济又安全的要求，具有重要的工程意义和广阔的发展前景。
　　本文结合某矩形预应力渡槽工程，对渡槽结构进行参数化建模，利用ANSYS软件优化设计模块，对渡槽进行优化设计，然后对优化前后的渡槽结构进行有限元分析，并对其受力状态展开一系列的分析研究，主要研究内容如下：
　　1)预应力渡槽原设计方案的三维有限元分析。以渡槽原设计方案为基础，运用大型商用有限元分析软件ANSYS建立了三维有限元模型，在渡槽无水、设计水深及满槽水深(温升)和满槽水深(温降)四种工况下对渡槽进行了静、动力分析。通过有限元分析结果可知，渡槽结构的应力、应变指标不仅满足规范要求且比较保守，从而说明了原设计方案存在结构优化设计的空间。
　　2)基于ANSYS软件的渡槽结构优化设计。简述了ANSYS结构优化设计的基本思想，在渡槽原设计方案的基础上，以预应力配筋量及截面尺寸为优化变量，利用ANSYS优化设计模块对渡槽三种优化方案进行优化设计，通过安全性能和工程造价的对比，找出较好的优化方案，且该优化方案具有显著的经济效益。
　　3)验证相对较好的优化方案的结构安全性能。利用 ANSYS 软件建立渡槽相对较好的优化方案的有限元模型，并对其进行三维有限元静、动分析，结果表明，优化后的渡槽槽身在常规荷载作用下，满足强度和刚度要求，结构受力性能良好。从渡槽结构在渡槽无水、槽内设计水深及满槽水深三种工况下的前十阶模态分析及谱分析计算结果可知，该优化设计方案能满足抗震要求，同时也验证了ANSYS优化方法的可行性。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 结构优化设计研究概述

1.3 渡槽结构优化在国内外的研究状况

1.4 结构优化设计存在的问题及其发展趋势

1.5 本文研究的主要内容

2 预应力混凝土渡槽三维有限元分析理论

2.1 有限元非线性求解

2.2 预应力结构材料的本构模型分析

2.3 预应力钢筋混凝土结构的有限元模型

2.4 小结

3 预应力混凝土渡槽三维有限元静动力分析

3.1 工程简介

3.2 计算模型的建立

3.3 计算参数与工况

3.4 有限元静力分析

3.5 有限元动力分析

3.6 静、动力对比研究

3.7 小结

4 基于ANSYS的渡槽结构优化设计研究

4.1 结构模型分析

4.2 ANSYS结构优化基本原理

4.3 结构优化设计

4.4 静力分析

4.5 动力分析

4.6 对比研究

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的学术成果