大型薄壁箱梁式通航渡槽结构分析与优化

摘要

随着经济的发展以及中西部基础设施工程建设的持续推进，渡槽的应用也越来越广泛。渡槽在解决我国农田灌溉、水资源开发利用、内河航道输运等问题上具有十分重要的作用，其安全、正常运营是我国经济可持续发展重要保障。鉴于渡槽结构的重要作用，有必要对渡槽结构的设计施工技术进行深入研究。本文以广西某特大型综合效益水电枢纽工程升船机中间渠道通航渡槽为依托，该渡槽槽身全长110m，设计通航水深3.0m，设计最大过坝船型为500t级机动驳船，左右半槽对称，渡槽上部箱梁结构属于薄壁结构。通过计算展开对该大型渡槽结构在常见动静力联合作用下结构响应的研究，利用大型有限元软件ANSYS对结构进行了优化计算，计算结果对该工程设计、施工具有重要的指导意义，也可为同类工程设计分析提供参考。
　　(1)结合研究对象概况，对结构计算重难点进行了简要分析，对考虑的荷载进行了分析与处理。讨论了温度作用、地震作用以及动水压力在大型有限元软件ANSYS中的施加方法，建立了渡槽结构三维模型。在温度作用下，渡槽内部与水分离面处温度等值线较密集，温变引起的荷载较大，在设计中可以适当布置抗拉钢筋。地震作用下，无水时槽身自振频率比有水时自振频率更高，在1/4和3/4断面支座处受地震荷载作用较大。
　　(2)结合渡槽结构受力特点，以渡槽结构应力应变典型断面为重点研究对象。利用ANSYS软件计算分析了动、静力作用以及空槽状态下的槽身结构应力应变分布情况。非线性计算结果表明，渡槽结构在静力作用和空槽状态下满足设计要求。在考虑地震作用的动静力联合作用下的槽身局部区域进入了非线性状态，拉应力超过了设计要求范围。
　　(3)以槽身结构安全性和稳定性为目标，对槽身结构设计进行了优化研究。利用ANSYS结构优化计算功能，以槽身1/2断面最大拉应力为目标函数，将纵向整根钢绞线的张拉控制力和横向钢绞线的张拉控制力作为设计变量，以1/2断面的应力应变作为状态变量，进行优化计算。计算结果结合规范选取合适的钢绞线规格，利用ANSYS软件进行校核验算，结果表明结构满足设计要求，优化设计方案是可行的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 动静力作用下渡槽结构分析研究进展

1．2．2 渡槽结构形式及其优化研究进展

1．3 本文研究的主要内容

第二章 有限单元法理论概述与数值模型介绍

2．1 有限单元法介绍

2．2 有限单元法基础理论

2．2．1 有限单元法的分析步骤

2．2．2 平面3结点三角形单元

2．2．3 空间8节点六面体单元

2．3 ANSYS软件介绍

2．4 工程概况及工况设置

2．4．1 工程概况介绍分析

2．4．2 荷载处理与工况设置

2．5 ANSYS软件建模

2．5．2 渡槽模型建立

2．6 本章小结

第三章 动静力作用下的槽身结构响应研究

3．1 温度作用下的槽身结构响应分析

3．2 地震作用下槽身结构响应分析

3．3 动静力作用下的槽身结构响应分析

3．3．1 工况1作用下槽身结构分析

3．3．2 工况2作用下槽身结构分析

3．3．3 工况3作用下槽身结构分析

3．4 本章小结

第四章 渡槽结构设计优化研究

4．1 ANSYS结构优化变量

4．1．1 目标函数

4．1．2 设计变量

4．1．3 状态变量

4．2 ANSYS结构优化分析步骤与数据循环

4．2．1 结构优化步骤

4．2．2 结构优化数据循环

4．3 优化计算结果分析

4．3．1 结构优化结果分析

4．3．2 优化后槽身结构响应分析

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

附录