水工隧洞渐变段衬砌有限元分析

摘要

随着地下工程技术的发展,水工隧洞工程设计及安全稳定越来越重要。近年来,隧洞工程技术取得了很大的成就,隧洞渐变段的安全稳定问题已成为工程中的重要课题。在隧洞进口处,为使水流平顺过渡,防止产生负压和空蚀,需设置方变圆的渐变段。隧洞渐变段安全稳定计算是对洞周围岩和衬砌结构的变形及应力进行了准确的模拟,并对隧洞开挖支护过程中围岩的稳定性做了一定研究,对隧洞工程具有重要意义。本文详细地介绍了隧洞渐变段围岩的稳定性及衬砌结构的应力变形,用不同方法对非线性材料衬砌结构进行分析计算并做比较,为实际工程中隧洞渐变段衬砌设计以及稳定运行提供了依据。
　　本文以某工程引水隧洞为例,运用 ANSYS软件建立三维有限元数值仿真模型,首先对初始应力场进行了模拟计算,再进行渐变段的开挖支护过程围岩的可靠性计算,最后分别对运行期和检修期衬砌的变形及应力进行了模拟分析。本文还采用边值法及传统公式法对渐变段衬砌的运行期和检修期进行计算,并与有限元法进行对比分析,得到渐变段衬砌的应力、变形规律。通过三种方法的对比计算结果表明:有限元法在一定程度上避免了传统方法中的不足,能够较全面地考虑隧洞渐变段施工期及运行期复杂荷载条件等因素的影响,得到较准确的结论,可供隧洞相关工程参考。
　　分析结果表明:隧洞开挖后,围岩应力发生重分布,局部出现了拉应力;衬砌支护后,拉应力区域减小。而运行期,部分地方拉应力过大,应采取一定的措施增加衬砌的抗拉强度。由于边值法和公式法对衬砌计算做了较多假定与简化,只适用于边界条件及围岩性质较为简单的情形,这两种方法的计算结果均大于有限元计算结果,误差较大。有限元方法一定程度上克服了隧洞设计中传统方法的缺陷,能够得到较准确的计算结果,为隧洞渐变段计算提供可靠依据。

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1 绪论

1.1 水工隧洞概述

1.2 国内外研究现状

1.3 隧洞衬砌计算的主要方法

1.4 本文的主要目的及内容

2 非线性有限元分析的基本原理

2.1 非线性问题的分类

2.2 材料的本构关系

2.3 非线性方程组的求解方法

3 有限元模型及ANSYS软件

3.1 ANSYS软件

3.2有限单元模型

4 工程实例

4.1 工程概况

4.2 计算参数的选取

4.3 计算方案及荷载组合

4.4 隧洞渐变段衬砌非线性有限元模型的建立

4.5 隧洞渐变段衬砌非线性有限元计算与分析

4.6 隧洞渐变段衬砌边值法计算与分析

4.7 隧洞渐变段衬砌公式法计算分析

4.8 有限元结果与边值法及公式法结果比较分析

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录