大型鋼筋混凝土壓力管道分析的非線性有限元計算模型

鋼襯鋼筋混凝土壓力管道是水電站廣泛采用的新型結(jié)構(gòu),其內(nèi)水壓力等荷載由鋼襯和外包的鋼筋混凝土共同承擔。結(jié)合工程應(yīng)用,系統(tǒng)地總結(jié)了下游壩面鋼襯鋼筋混凝土壓力管道非線性有限元分析的特點,并從混凝土本構(gòu)關(guān)系模擬(采用非線性彈性模型、彈塑性模型、內(nèi)時模型、斷裂力學模型、流變學模型、損傷力學模型)、混凝土裂縫模擬、鋼筋模擬和鋼筋與混凝土之間粘結(jié)模擬等方面介紹了研究進展情況,指出了進一步研究需要解決的問題。

本文論述了采用大小比悄仿真材料平面模型試驗的方法研究三峽電站鋼襯鋼筋混凝土壓力管道在內(nèi)水壓力作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、管道混凝土初裂位置、初裂荷載、裂縫寬度、裂縫發(fā)展特征以及管道的極限承載能力。研究減小裂縫寬度的措施。

為了對管道裂縫進行模擬,通過分析試驗結(jié)果,計算裂縫的分形維數(shù),利用分形幾何的l系統(tǒng)進行描述,推導出l系統(tǒng)表達式及三維顯示的映射表達式。實現(xiàn)了對不規(guī)則形狀裂縫較真實的反映。

將半埋藏式鋼襯鋼筋混凝土壓力管道簡化成拱結(jié)構(gòu),利用結(jié)構(gòu)力學方法求出結(jié)構(gòu)內(nèi)力,再用材料力學方法求出鋼筋的應(yīng)力σn;按受彎構(gòu)件正截面承載力計算方法求得σm,由此得到鋼筋的應(yīng)力σm=σn+σm。計算方法有一定可靠性。

針對鋼襯鋼筋混凝土壓力管道,結(jié)合彈性模量縮減法和梁系有限元法,建立了結(jié)構(gòu)極限承載力分析的彈性迭代法。彈性迭代法繼承了彈性模量調(diào)整法原理簡單、應(yīng)用方便的優(yōu)點;同時,利用梁系有限元能大大減少單元和自由度數(shù),在保持精度的同時能顯著提高計算效率。算例分析表明,彈性迭代法計算精度良好,可應(yīng)用于鋼襯鋼筋混凝土壓力管道結(jié)構(gòu)的極限承載力分析中。

提出“外部管壁”力學模型,并推導出精度較高的半理論半經(jīng)驗計算公式,該公式考慮了混凝土保護層內(nèi)外的裂縫寬度差異,而后給出算例。

國內(nèi)外大型水電工程都需要布置能宣泄大流量的、承受高水壓的壓力管道。水輪機和壓力管道是很多綜合水電工程最重要的主體工程之一。壓力管道通常多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),內(nèi)有承壓的鋼殼,外包鋼筋混凝土保護層,以滿足這類建筑物提出的安全和可靠性的高要求。分析研究了現(xiàn)有壓力管道的結(jié)構(gòu)、安全系數(shù)、計算方法及有關(guān)的標準規(guī)范

國內(nèi)外大型水電工程都需要布置能宣泄大流量的，承受高水壓的壓力管道，水輪機和壓力管道是很多綜合水電工程最重要的主體工程之一。壓力管道通常多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)有承壓的鋼殼，外包鋼筋混凝土保護層，以滿足這類建筑物提出的安全和可靠性的高要求。

本文先介紹水電站鋼襯鋼筋混凝土壓力鋼管工程實例,接著論述了鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的作用機理和非線性分析的必要性,最后闡述了鋼襯鋼筋混凝土壓力管道非線性分析在ansys的實現(xiàn)方法.

工程上鋼筋混凝土壓力管道表面通常會出現(xiàn)裂縫,傳統(tǒng)鋼筋混凝土壓力管道的抗裂計算是建立在連續(xù)體的假設(shè)基礎(chǔ)上的,本文以假設(shè)構(gòu)件在開裂前存在宏觀表面裂縫為基礎(chǔ),抗裂度定義為抵抗發(fā)生穿透裂縫進而引起裂縫失穩(wěn)擴展,基于斷裂力學理論對鋼筋混凝土壓力管道的斷裂分析進行了初步探討。

工程上鋼筋混凝土壓力管道表面通常會出現(xiàn)裂縫,傳統(tǒng)鋼筋混凝土壓力管道的抗裂計算是建立在連續(xù)體的假設(shè)基礎(chǔ)上的.現(xiàn)以假設(shè)構(gòu)件在開裂前存在宏觀表面裂縫為基礎(chǔ),抗裂度定義為抵抗發(fā)生穿透裂縫進而引起裂縫失穩(wěn)擴展,基于斷裂力學理論對鋼筋混凝土壓力管道的斷裂分析進行了初步探討.

應(yīng)用斷裂力學原理,給出了鋼筋混凝土壓力管道有關(guān)斷裂的計算公式。

基于鋼襯鋼筋混凝土壓力管道在設(shè)計荷載下外包混凝土將帶裂縫工作的基本承載特性,以緩解開裂與限裂間的矛盾為指導思想,將減小壩后背管外包混凝土裂縫寬度和提高開裂管道的耐久性作為研究目的,結(jié)合模型試驗和有限元法,研究了一些裂縫控制措施的應(yīng)用效果,以及有效的計算內(nèi)水壓力下鋼襯外包混凝土裂縫寬度的公式。結(jié)果表明:總用鋼量相同時,減薄鋼襯,加大鋼筋用量,減小裂縫寬度效果明顯;減薄鋼襯外包混凝土厚度,也可減小裂縫寬度;性能可靠的防水涂料具備黏接性強和變形能力高的基本性質(zhì),可進一步研究其對提高管道耐久性的長期作用;采用п-780-83規(guī)范中的裂縫寬度公式,計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果較為符合。

根據(jù)模型實驗和非線性有限元計算結(jié)果,對下游壩面式鋼襯鋼筋混凝土壓力管道結(jié)構(gòu)在各類荷載及其組合下的受力性態(tài)進行了分析和總結(jié),提出了此種結(jié)構(gòu)五階段受力的概念。

采用ansys程序?qū)θ龒{水電站管道大比尺試驗?zāi)Ｐ瓦M行了有限元分析,得到了管道開裂前各種材料的承載比、初裂荷載、裂縫寬度以及結(jié)構(gòu)超載系數(shù),并與模型試驗結(jié)果進行了對比.結(jié)果表明,有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致,可以為其他工程提供參考.

商州市二級電站壓力管道為鋼筋混凝土管道，內(nèi)徑２ｍ，包角１３５°，和分上中下三段不同厚度，我們采用裝配模板現(xiàn)場澆筑，鋼筋混凝土壓力管道施工質(zhì)量良好，各項指標達到了設(shè)計要求。

目前,水電站工程項目中壓力管道大多采用鋼管或預(yù)應(yīng)力混凝土管安裝形式。在水電站工程施工中,現(xiàn)澆大管徑的混凝土壓力管道因施工難度大,施工質(zhì)量不易保證,所以很少采用。青石山水電站壓力管道設(shè)計為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),具體參數(shù)為d=3m,壁厚0.5m,坡角為33°。作者就從其質(zhì)量保證措施和主要施工方法等方面大概做一闡述。

鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻的非線性有限元分析

承插式自應(yīng)力鋼筋混凝土壓力管可代替鋼管和鑄鐵管用于城鎮(zhèn)自來水輸水管道,為國家節(jié)省大量金屬材料和基建投資.目前,我國許多城市的給水管道都采用了承插式自應(yīng)力鋼筋混凝土壓力管道.現(xiàn)將其施工方法總結(jié)如下:一、管材與接口材料的檢查1.管材和配件檢查施工之前,將管子順序地排列于溝槽一側(cè),并對管子和配件(包括特制配件)進行外觀檢查,詳細地察看管體和配件有無裂縫、露筋、脫皮等缺損.

承插式自應(yīng)力鋼筋混凝土壓力管可代替鋼管和鑄鐵管用于城鎮(zhèn)自來水輸水管道,為國家節(jié)省大量金屬材料和基建投資.目前,我國許多城市的給水管道都采用了承插式自應(yīng)力鋼筋混凝土壓力管道.現(xiàn)將其施工方法總結(jié)如下:一、管材與接口材料的檢查1.管材和配件檢查施工之前,將管子順序地排列于溝槽一側(cè),并對管子和配件(包括特制配件)進行外觀檢查,詳細地察看管體和配件有無裂縫、露筋、脫皮等缺損.

對鋼襯鋼筋混凝土壓力管道進行結(jié)構(gòu)計算時,溫度應(yīng)力的影響是不容忽視的.在變截面固定端超靜定拱模型的基礎(chǔ)上,運用結(jié)構(gòu)力學彈性中心法推導了溫度應(yīng)力的計算公式,可為工程設(shè)計人員提供參考依據(jù).

鋼襯鋼筋混凝土壓力管道應(yīng)用于大型水電站中,一般在設(shè)計時都允許混凝土出現(xiàn)裂縫,但對裂縫寬度進行了限制,而實際工程實測值往往超過計算值。結(jié)合三峽大比尺結(jié)構(gòu)模型試驗分析了用現(xiàn)有計算公式計算鋼襯鋼筋混凝土壓力管道裂縫寬度的計算值與實測值的符合程度并對今后將進行的裂縫寬度的研究提供了建議。