南水北调工程箱形倒虹吸非线性有限元分析

摘要

南水北调工程的修建是即三峡工程之后又一造福人类的特大工程，成为全国人民关注的热点。南水北调工程现已经修建完毕并启动运行，它不仅有效的缓解了我国北方水资源的压力，而且还为沿途的地方人民造福牟利，同时也成为中国南北之间的一条风景线。在南水北调工程中大型倒虹吸结构作为一种立体交叉水工输水建筑物而被广泛的运用，且以渠道、河流倒虹吸居多。有的还处于一定深度的埋深。保证在未来可能遇到的动荷载和偶然荷载作用下安全地的运行将关系着它给国家带来的直接影响。而倒虹吸则是采用钢筋混凝土浇筑而成，因此为确保结构的稳定和安全，模拟研究箱型倒虹吸结构的非线性有限元分析也是有意义的。
　　倒虹吸作为一个薄壁结构水工输水建筑物，而大多数是埋藏在地下，加上上部还有其他建筑物的荷载，是和其他不同类材料相接触的结构，因此在材料非线性上也是有很大的区别，在受到外部冲击作用影响条件下结构相对更容易产生较大的内力、变形，进而发生不平衡弯矩，产生不同程度的裂缝，从而威胁到倒虹吸结构的稳定，大大加重了结构的承载，减短了使用寿命，降低了耐久性。
　　论文运用了功能庞大的有限元分析软件ANSYS作为模拟工具，以南水北调中线工程某箱型倒虹吸结构为研究对象，建立钢筋混凝土整体式模型，一一对结构管身可能发生5种的工况和结构、改变设计方案的结构管身分析和周围土体的耦合分析进行建模研究，分析管身结构时将上部土体简化为均布荷载施加在结构顶板上，根据非线性理论，分析了管身结构和周围土体的应力和变形。本文的主要研究内容和结论如下:
　　(1)介绍有限元基本理论，概述钢筋混凝土本构模型和破坏准则，在有限元分析模型建立过程中钢筋的处理方式。
　　(2)依据结构管身所处的条件和研究成果可以得到5种工况中，管身结构各部位最大拉、压应力值都在规范要求的范围之内，结构管身出现裂缝的位置和裂缝大小，并提出了避免出现裂缝的可行性建议，还得到结构的最不利情况为完建期工况和检修工况（边孔检修、中孔检修）。
　　(3)根据结构管身周围土体的最终结果很容易看出土体是安全可靠的，最大沉降位于侧墙两侧回填土顶部自由表面处，且都在地基变形量的规范要求的范围之内。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 倒虹吸结构的研究现状

1．2．1 结构力学法

1．2．2 模型试验法

1．2．3 有限元法

1．3 现状研究中呈现的弊端

1．4 本文主要研究内容

2 有限元分析理论

2．1 应力场的有限元法

2．1．1 单向应力状态的应力应变关系

2．1．2 复合应力条件下应力应变关系

2．1．3 单元应力计算

2．2 非线性有限元分析理论

2．2．1 非性线有限元理论

2．2．2 本构关系

2．2．3 非性线方程解法

2．2．4 计算软件简介

2．3 本章小结

3．箱形倒虹吸模型建立及工况计算

3．1 工程概况

3．2 模型尺寸确定与模型建立

3．2．1 模型尺寸的确定

3．2．2 模型建立及材料属性

3．3 网格划分

3．3．1 单元类型的选取

3．3．2 边界条件

3．3．3 网格划分及尺寸控制

3．4 工况计算

3．4．1 荷载计算

3．4．2 计算结果汇总

3．5 本章小结

4 箱型倒虹吸结构有限元计算结果及分析

4．1 非线性有限元求解

4．2 计算结果及分析

4．2．1 完建期工况

4．2．2 正常运行期工况

4．2．3 洪水期工况

4．2．4 检修期(中孔检修)工况

4．2．5 检修期(边孔检修)工况

4．3 改变设计方案的分析结果

4．3．1 完建期工况

4．3．2 检修期工况

4．4 本章小结

5 结构和土体耦合有限元分析

5．1 概述

5．2 模型建立

5．2．1 建立模型

5．2．2 网格划分

5．2．3 边界条件及荷载计算

5．3 计算结果

5．3．1 完建期

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果