高水头引水隧洞衬砌结构非线性有限元分析

摘要

在大型水电站的设计中,经常会遇到高水头大直径压力隧洞的设计问题,特别在近年发展起来的引水式电站及抽水蓄能电站中,高水头大直径压力隧洞的建设逐渐增多,高压隧洞的设计显得愈来愈重要。压力隧洞传统计算方法假定围岩及衬砌材料为连续各向同性的弹性介质,忽视了围岩及衬砌材料的非线性性质的不利影响,并且是将围岩与衬砌结构分开进行计算,从而导致隧洞混凝土衬砌厚度及配筋量偏大。因此,有必要对考虑隧洞围岩、衬砌联合承载及材料非线性情形下的衬砌结构进行分析计算,并对不同计算方法进行对比研究,为在工程实际中选择经济合理的衬砌形式以及提高隧洞运行的安全度提供依据。首先对实际工程资料进行分析,确定计算范围及边界条件。采用ANSYS通用有限元软件建立整体模型,考虑围岩与外层衬砌、外层衬砌与内层钢板衬砌之间的接触,接触模型按点-点接触设置,接触单元分别采用Contac12与Contac52模拟。先对隧洞初始应力及开挖支护后的二次应力场进行分析；然后对隧洞在检修、充水运行工况下的两种衬砌形式(单层钢筋混凝土衬砌和钢衬钢筋混凝土组合衬砌)进行计算,分别计算单层衬砌与组合衬砌条件下,外层钢筋混凝土衬砌的应力、变形规律,并对两种衬砌形式受力情况进行比较分析,得出相关结论。其次,采用边值法及弹性力学方法进行计算,并与有限元结果进行比较分析。通过运用有限元方法、边值法及弹性理论对高压隧洞进行分析计算表明：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,能够较为全面地考虑复杂地质条件及荷载条件。由比较分析可知：边值方法及弹性力学方法由于在材料特性及围岩与衬砌之间相互作用做了较多假定与简化,只适应于边界条件及围岩性质较为简单的情形,对于高压隧洞复杂地质洞段采用这两种方法计算结果均大于有限元计算结果,并且随水头增加,计算结果误差越大。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.1.1 课题的研究背景

1.1.2 课题的研究意义及问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.2.1 压力隧洞结构设计的发展历程

1.2.2 高压隧洞衬砌与围岩联合作用应力分析现状

1.2.3 钢筋混凝土非线性有限元分析的研究现状及进展

1.2.4 钢衬钢筋混凝土组合衬砌研究现状

1.3 压力隧洞衬砌计算的主要方法

1.3.1 弹性力学解析法

1.3.2 结构力学法

1.3.3 有限单元法

1.4 本文的主要目的及内容

1.4.1 主要目的

1.4.2 主要内容

2 压力隧洞衬砌非线性有限元分析的基本原理

2.1 非线性问题的分类

2.1.1 材料非线性

2.1.2 几何非线性

2.1.3 接触非线性

2.2 有限单元法的基本原理

2.2.3 线弹性有限单元法

2.2.4 非线性有限单元法

2.3 材料的本构关系

2.3.1 弹塑性分析的基本原理

2.3.2 弹塑性分析的基本方程

2.3.3 岩石本构关系

2.3.4 混凝土本构模型

2.3.5 混凝土与岩石接触面本构模型

2.4 非线性方程组的求解方法

2.4.1 增量法

2.4.2 迭代法

2.4.3 混合法

2.4.4 收敛准则

3 有限元模型及ANSYS软件

3.1 有限单元模型

3.1.1 平面4～8节点等参元

3.1.2 contac12单元概述

3.1.3 contac52单元概述

3.2 ANSYS软件

3.2.1 ANSYS简介

3.2.2 ANSYS的特点

3.2.3 ANSYS非线性迭代算法的实现

3.2.4 单元生死技术的应用

4 工程算例

4.1 工程概况及计算参数

4.1.1 工程概况

4.1.2 计算基本参数

4.1.3 其他参数

4.2 计算方案及荷载组合

4.2.1 计算方案

4.2.2 工况及荷载组合

4.3 衬砌非线性有限元计算及结果分析

4.3.1 计算模型

4.3.2 计算思路

4.3.3 初始应力场计算及分析

4.3.4 Ⅳ类围岩段单层钢筋混凝土衬砌计算及结果分析

4.3.5 Ⅳ类围岩组合衬砌计算结果及分析

4.4 衬砌边值法计算及结果分析

4.4.1 计算软件

4.4.2 计算模型

4.4.3 计算结果及分析

4.5 衬砌弹性理论计算

4.5.1 单层衬砌弹性理论计算结果

4.5.2 组合衬砌弹性理论计算结果

4.6 有限元结果与边值法及弹性理论结果比较分析

4.6.1 单层衬砌结算结果比较分析

4.6.2 组合衬砌计算结果比较分析

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录