重力坝坝后浅埋管结构设计方案优选研究

摘要

下游坝面浅埋式钢衬钢筋混凝土压力管道（简称坝后浅埋管）是水电站发电引水管道的主要管型之一，近半个世纪以来有了长足的发展。由于其在布置、承载、造价以及施工等方面的优点，在混凝土坝后式水电站中应用广泛。由于坝后浅埋管在设计上允许外包混凝土开裂，因此有必要在考虑混凝土开裂非线性的基础上，对坝后浅埋管受力破坏特征以及抗震性能展开研究。
　　本文以某水电站为例，通过ABAQUS软件对管道结构进行三维有限元计算分析，采用混凝土塑性损伤本构模型，对坝后浅埋管的外包混凝土厚度、钢衬参数、钢筋用量及布置方式进行优化研究，主要研究内容如下:
　　(1)基于混凝土损伤塑性模型，对坝后浅埋管钢管与外围钢筋混凝土完全联合承载、管坝分缝处设垫层和钢衬外包垫层三种管道埋设方案进行了研究，并对多种方案的几何、力学参数进行优选。针对实际工程坝后浅埋管埋设方式选定为钢管外包垫层方案，该方案管坝结构受力情况较好，在结构安全性方面具备一定的优势。
　　(2)考虑坝后浅埋管与大坝的相互作用，对管道与坝体整体结构建立三维有限元模型，通过地震工况计算对比分析不同埋设方式管道结构的抗震安全性。从保证管道结构强度安全性、控制管坝结构裂缝开展、充分发挥钢材与混凝土力学性能等方面推荐坝后浅埋管埋设方式为钢管外包垫层方案。
　　(3)对引水系统下平段进行三维有限元分析，讨论了下平段钢管过缝处设置不同外包软垫层的敷设范围时结构的变形和受力情况。通过对全包垫层三种敷设长度对比分析，下平段钢管设置外包软垫层能够很好的补偿厂坝分缝处的不均匀变形，推荐下平段钢管外包软垫层沿轴向敷设范围为11m（分缝上、下游侧各5.5m）。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 理论分析法

1．2．2 有限单元法

1．3 坝后浅埋管亟待研究的问题

1．4 本文研究内容

2 基本理论

2．1 混凝土损伤塑性模型理论

2．1．1 损伤变量和有效应力

2．1．2 应变等价原理

2．1．3 混凝土损伤模型

2．2 ABAQUS塑性损伤模型

2．2．1 基本概念

2．2．2 损伤

2．2．3 屈服条件

2．2．4 流动准则

2．3 钢筋模型

2．4 本章小结

3 坝后浅埋管埋设方式优选研究

3．1 基本资料

3．2 外包混凝土厚度对管道结构的影响

3．3 钢筋布置方式对管道结构的影响

3．4 管坝接缝形式对管道裂缝的影响

3．5 钢管外包垫层参数对管道结构的影响

3．5．1 钢管外包垫层变形模量优选研究

3．5．2 钢管外包垫层包角优选研究

3．6 本章结论

4 地震工况坝后浅埋管受力分析

4．1 有限元分析模型

4．2 主要荷载

4．3 不同埋设方式管道结构的抗震安全性

4．3．1 外包混凝土轴向应力

4．3．2 外包混凝土环向应力

4．3．3 钢衬等效应力

4．4 本章结论

5 下平段垫层钢管结构静动力计算与分析

5．1 计算模型

5．2 荷载及其组合

5．3 垫层不同敷设范围优选分析

5．3．1 厂坝分缝处特征位置位移

5．3．2 垫层钢管位移

5．3．3 下平段钢管应力

5．4 本章结论

6 结论与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢