水工隧洞衬砌结构限裂计算分析

摘要

关于水工隧洞衬砌结构限裂计算分析的研究虽然已经有不少成果，但裂缝宽度的计算多以普通钢筋混凝土构件的拉拔试验为基础，而衬砌和围岩是联合承载体，缺少能够反映围岩对衬砌作用的试验和理论研究。 本文通过弹性力学、断裂力学和非线性有限元对水工隧洞衬砌结构在内水压力下的应力及裂缝扩展进行了研究，并将理论结果与大比尺水工隧洞模型的试验数据进行了比较分析，为进一步完善《水工隧洞设计规范》提供了参考，主要研究内容如下： （1）内水压力下水工隧洞试验模型单双筋衬砌结构的钢筋应力和混凝土变形情况； （2）根据弹性力学理论推导内水压力下水工隧洞素混凝土衬砌结构、单筋衬砌结构和双筋衬砌结构的应力计算公式，以及开裂半径与内水压力的关系式，利用推导公式对水工隧洞试验模型进行了理论计算； （3）运用双K断裂理论对内水压力下水工隧洞素混凝土衬砌结构、单筋衬砌结构和双筋衬砌结构进行了断裂力学分析，确定了三种不同衬砌结构的双K断裂参数，给出了基于断裂力学的裂缝宽度计算式，进而计算了内水压力下单双筋衬砌结构的裂缝宽度，并将其与试验实测裂缝宽度进行了比较； （4）运用ANSYS程序分别对水工隧洞试验模型素混凝土衬砌结构、单筋衬砌结构和双筋衬砌结构在试验最大内水压力1.7MPa的工况下进行非线性有限元分析，并将分析结果同试验实测值、弹性理论计算值进行了比较。 研究发现：水工隧洞衬砌开裂前，内水压力主要由衬砌承担；衬砌一旦开裂，裂缝很快贯穿衬砌；裂缝贯穿衬砌后，内水压力主要由围岩承担，相同内水压力下单双筋衬砌结构的钢筋应力、衬砌和围岩应力、开裂半径以及裂缝宽度相差不大，表明衬砌内环向钢筋的主要作用是保证衬砌完整性，因此，在确保裂缝宽度不超过允许值的前提下，配置单层钢筋更为经济。断裂力学理论为研究水工隧洞衬砌结构的裂缝扩展和破坏机理提供了一种有效的方法，运用基于断裂理论所得的裂缝宽度与试验实测裂缝宽度基本吻合，为进一步修改水工隧洞衬砌结构裂缝宽度计算公式提供了重要的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3研究内容

2水工隧洞衬砌结构模型试验概述

2.1试验模型概况

2.1.1几何参数

2.1.2材料参数

2.1.3量测设备布置

2.2试验过程

2.3试验数据

2.3.1钢筋应力

2.3.2混凝土变形

3水工隧洞衬砌结构弹性应力计算

3.1素混凝土衬砌结构应力计算

3.1.1素混凝土衬砌开裂前结构应力计算

3.1.2素混凝土衬砌开裂时结构应力计算

3.1.3素混凝土衬砌开裂后结构应力计算

3.2单筋衬砌结构应力计算

3.2.1单筋衬砌开裂时结构应力计算

3.2.2单筋衬砌开裂后结构应力计算

3.3双筋衬砌结构应力计算

3.3.1双筋衬砌开裂时结构应力计算

3.3.2双筋衬砌开裂后结构应力计算

3.4裂缝贯穿衬砌后单双筋衬砌结构应力比较

3.5本章小结

4水工隧洞衬砌结构断裂力学分析

4.1混凝土双K断裂准则

4.2理论计算模型起裂韧度KiniIC

4.2.1素混凝土衬砌结构KiniIC素砼

4.2.2单筋衬砌结构KiniIC单筋

4.2.3双筋衬砌结构KiniIC双筋

4.3理论计算模型失稳断裂韧度KunIC

4.3.1素混凝土衬砌结构KunIC素砼

4.3.2单筋衬砌结构KunIC单筋

4.3.3双筋衬砌结构KunIC双筋

4.4衬砌裂缝宽度计算

4.4.1理论计算

4.4.2规范计算

4.5本章小结

5水工隧洞衬砌结构非线性有限元分析

5.1几何单元

5.1.1 Solid65单元

5.1.2 Shell63单元

5.2材料物理特性、网格划分、荷载及边界条件

5.3结构计算

5.3.1素混凝土衬砌结构

5.3.2单筋衬砌结构

5.3.3双筋衬砌结构

5.4钢筋应力比较

5.5本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢