坝内埋管极限状态及设计方法研究
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摘要
水工非杆系结构是工程上广泛采用的结构形式。由于此类结构形式的复杂性,目前尚无成熟的工程设计方法。钢衬钢筋混凝土坝内埋管结构是非杆系构件中的重要一类,随着坝工技术的发展,大坝高度的不断增加,其重要地位也越来越突出。在实际情况中,坝内埋管的荷载水平不可能超过设计荷载。大量的调查和研究表明,结构在设计荷载作用下,受拉区混凝土远没有完全开裂,钢衬、钢筋也未受拉屈服,受压区混凝土没有压坏,钢衬、钢筋也未受压屈服。因此,对于水工非杆系结构,不能简单地像杆系结构那样将混凝土或钢筋达到材料强度时的应力状态作为设计依据。由此可见,现有的设计理论和方法已难以满足工程要求,这就需要研究埋管结构的破坏机理,建立新的极限状态评价方法,并以此提出相应的结构设计方法。
本文密切结合工程实际,收集了大量坝内埋管结构资料,对其进行了归纳和分析,结合现有理论,选取了具有代表性的计算模型。基于弹塑性理论,采用考虑混凝土应变硬化的有限元程序ANSYS对钢衬钢筋混凝土管道进行了全过程分析,确定了坝—管间相互作用的拉应变状态。计算结果表明,在设计内水压力荷载的作用下,管周混凝土未出现裂缝或局部出现细小裂缝,结构部分处于塑性阶段。因此,本文提出以管周混凝土拉应变值来定义坝内埋管极限状态的建议,认为当拉应变达到某一特定值时的状态为埋管结构的极限状态,超过极限值我们就通过改变埋管特征和材料用量来降低应变值。
本文研究了不同极限拉应变的混凝土材料、不同管顶混凝土厚度和管径的比值、不同钢材用量和温度荷载,对管周混凝土拉应变的影响。在分析现有极限状态现状的基础上,结合实际数据和仿真计算的结果,归纳出了既简便又省时的管周混凝土拉应变图表方法。并用实际工程算例进行了说明。
本文的分析建立在对实际工程中的坝内埋管结构进行归纳总结的基础上,所得到的规律和结论可为今后的实际工程设计和理论研究提供参考。
Massive hydraulic structures have been widely used in practice. Because of the complexity of structural types and the multiplicity of loads, there are not acceptable methods of design up to now. The steel-lined reinforced concrete penstock embedded in concrete dam is very important to the dam. With the progress of hydraulic technology and the increase of the dam's height, the structure becomes more important. The load of the penstocks is impossible to exceed the design level in fact. A large amount of investigation and research indicate that, under the design load, concrete is far away from cracking entirely while steel-line and reinforced steel are not yielded in the stretch area, nor is concrete crushed while steel-line and reinforced steel yielded in the press area. Therefore, the ultimate state of massive hydraulic structures can't be defined as material intensity that concrete or steel attains. The design method for bar-structures has been on this ultimate state and therefore the design method for massive hydraulic structures is behind the times. So we should research the destroy mechanism of the penstocks, and establish a new ultimate state, on basis of which to put forward a design method.With close reference to actual projects, the paper collects and analyzes a large amount of information about penstocks embedded in concrete dams, then creates the typical finite element models on the basis of the theory and the collected information. By applying ANSYS procedure with consideration of strain hardening model and on the basis of elastic-plastic theory to the
whole process analysis of steel-lined reinforced concrete penstocks, the paper defines the tensile strain state of the combined function of dam-penstock. The ANSYS results show that there is micro-crack in the part of concrete around the penstock under the design load of internal water pressure. The structure is partly in the state of plasticity. So the paper puts forward a newly reasonable definition of the ultimate tensile strain of concrete on ultimate state for the penstocks embedded in concrete dams.The paper studies the effects of different ultimate tensile strain of concrete, ratio of thickness of concrete to diameter of penstock, the reinforcement in concrete and temperature load on the tensile strain of the concrete around the penstock. On the basis of common theory about the ultimate state, a chart method is introduced to design penstock embedded in concrete dams easily and quickly, combined with the actual data and the result of analysis. By an actual instance, this paper clarifies the corresponding calculation method of reinforcement.The analysis in this paper is based on practical penstocks embedded in concrete dams. The law and conclusion can provide reference for practical engineering and theoretical research in the days to come.
本文密切结合工程实际,收集了大量坝内埋管结构资料,对其进行了归纳和分析,结合现有理论,选取了具有代表性的计算模型。基于弹塑性理论,采用考虑混凝土应变硬化的有限元程序ANSYS对钢衬钢筋混凝土管道进行了全过程分析,确定了坝—管间相互作用的拉应变状态。计算结果表明,在设计内水压力荷载的作用下,管周混凝土未出现裂缝或局部出现细小裂缝,结构部分处于塑性阶段。因此,本文提出以管周混凝土拉应变值来定义坝内埋管极限状态的建议,认为当拉应变达到某一特定值时的状态为埋管结构的极限状态,超过极限值我们就通过改变埋管特征和材料用量来降低应变值。
本文研究了不同极限拉应变的混凝土材料、不同管顶混凝土厚度和管径的比值、不同钢材用量和温度荷载,对管周混凝土拉应变的影响。在分析现有极限状态现状的基础上,结合实际数据和仿真计算的结果,归纳出了既简便又省时的管周混凝土拉应变图表方法。并用实际工程算例进行了说明。
本文的分析建立在对实际工程中的坝内埋管结构进行归纳总结的基础上,所得到的规律和结论可为今后的实际工程设计和理论研究提供参考。
Massive hydraulic structures have been widely used in practice. Because of the complexity of structural types and the multiplicity of loads, there are not acceptable methods of design up to now. The steel-lined reinforced concrete penstock embedded in concrete dam is very important to the dam. With the progress of hydraulic technology and the increase of the dam's height, the structure becomes more important. The load of the penstocks is impossible to exceed the design level in fact. A large amount of investigation and research indicate that, under the design load, concrete is far away from cracking entirely while steel-line and reinforced steel are not yielded in the stretch area, nor is concrete crushed while steel-line and reinforced steel yielded in the press area. Therefore, the ultimate state of massive hydraulic structures can't be defined as material intensity that concrete or steel attains. The design method for bar-structures has been on this ultimate state and therefore the design method for massive hydraulic structures is behind the times. So we should research the destroy mechanism of the penstocks, and establish a new ultimate state, on basis of which to put forward a design method.With close reference to actual projects, the paper collects and analyzes a large amount of information about penstocks embedded in concrete dams, then creates the typical finite element models on the basis of the theory and the collected information. By applying ANSYS procedure with consideration of strain hardening model and on the basis of elastic-plastic theory to the
whole process analysis of steel-lined reinforced concrete penstocks, the paper defines the tensile strain state of the combined function of dam-penstock. The ANSYS results show that there is micro-crack in the part of concrete around the penstock under the design load of internal water pressure. The structure is partly in the state of plasticity. So the paper puts forward a newly reasonable definition of the ultimate tensile strain of concrete on ultimate state for the penstocks embedded in concrete dams.The paper studies the effects of different ultimate tensile strain of concrete, ratio of thickness of concrete to diameter of penstock, the reinforcement in concrete and temperature load on the tensile strain of the concrete around the penstock. On the basis of common theory about the ultimate state, a chart method is introduced to design penstock embedded in concrete dams easily and quickly, combined with the actual data and the result of analysis. By an actual instance, this paper clarifies the corresponding calculation method of reinforcement.The analysis in this paper is based on practical penstocks embedded in concrete dams. The law and conclusion can provide reference for practical engineering and theoretical research in the days to come.
引文
1.DL/T 5141-2001.水电站压力钢管设计规范.北京:中国电力出版社,2002.7
2.DL/T 5057-1996.水工混凝土结构设计规范.北京:中国电力出版社,1997.3
3.DL/T 5077-1997.水工建筑物荷载设计规范.北京:中国电力出版社,1998.3
4.水电站坝内埋管设计手册及图集编写组.水电站坝内埋管设计手册及图集.北京:水利电力出版社,1988
5.刘幸,方梅,张立军 著.钢筋混凝土随机有限元理论及在水工非杆系结构中的应用.北京:中国水利水电出版社,2003.5
6.伍鹤皋,生晓高,刘志明.水电站钢衬钢筋混凝土压力管道.北京:中国水利水电出版社,2000.7
7.长江水利委员会 编.三峡工程大坝及电站厂房研究.湖北
8.李传才 主编.特种结构.中国电力出版社.1998.11
9.董哲仁 著.钢衬钢筋混凝土压力管道设计与非线性分析 北京:中国水利水电出版社,1998.4
10.董哲仁 著.水工结构分析论文集.北京:中国水利水电出版社 2002.11.
11.张光斗,王光纶 著.水工建筑物 下册.北京:水利电力出版社.1994.7
12.赵纯厚,朱振宏,周端庄 主编.世界江河与大坝.中国水利水电出版社 2000.9.
13.潘家铮,何璟主编.中国大坝50年.中国水利水电出版社,2000.9
14.中国水利部科技教育司 等.中国水利科技十年(1979～1989) 长春:吉林科学技术出版社,1993
15.潘家铮.压力钢管.北京:电力工业出版社,1982
16.马善定,汪如泽 主编.水电站建筑物.北京:中国水利水电出版社,1996
17.华东水利学院编 水工设计手册 水电站建筑物 北京:水利电力出版社 1989.5
18.马善定,伍鹤皋,秦继章主编.水电站压力管道.湖北科学技术出版社.2002.9.
19.《前苏联钢衬钢筋混凝土压力管道设计与施工》编辑委员会 编译.前苏联钢衬钢筋混凝土压力管道设计与施工.中国水利水电出版社,2002.9
20.周关炳 国内外巨型压力钢管的发展动态 水利水电技术 1992(7):18～23
21.刘宪亮,常万光,温新丽 著.水电站加劲压力钢管及厂坝联结形式优化.黄河水利出版社 1998.11.
22.董哲仁 等.水电站钢衬钢筋混凝土压力管道设计国外概况 北京:水利水电科学研究院结构材料所 1999.
23.龚晓南,叶黔元,徐日庆.工程材料本构方程.北京:中国建筑工业出版社 1995
24.张仲卿,陈华业等.岩滩水电站坝内埋管大比尺仿真模型结构试验研究.水力发电.1990(9):48～51
25.魏有健,黄建凤.坝内埋管仿真模型试验研究.广西大学学报 1992(3):72～76
26.张义林等 水口电站压力钢管仿真材料结构模型试验 湖南水电 1990.1
27.马善定.坝内钢管强度设计的问题及改进.武汉水利电力大学学报.1986(5):17～25
28.钟秉章,马善定.水电站埋藏式压力钢管弹塑性设计原理和方法.水利学报,1983,NO.4
29.伍鹤皋,秦继章,龚国芝,马善定.三峡水电站坝内埋管大比例尺结构模型试验研究.武汉水利电力大学学报.1998(4):5～9
30.伍鹤皋,马善定.混凝土塑性对坝内埋管承载力影响的试验研究.水利水电技术,1988(2):9～13
31.伍鹤皋,马善定,秦继章,匡会健 三峡水电站坝内埋管非线性有限元分析 武汉水利电力大学学报.1998(2):21～24
32.秦继章,匡会健,伍鹤皋,马善定.景洪水电站发电压力管道仿真材料结构模型试验研究.武汉水利电力大学学报.1998(10):17～21
33.匡会健,伍鹤皋,马善定.混凝土坝内钢管有限元分析.湖北水力发电 1992(3)
34.马善定,伍鹤皋,秦继章.坝内钢管工作机理和强度设计新概念.水利发电学报,1993(3)
35.赵国藩 李树瑶等.钢筋混凝土结构的裂缝控制.北京:海洋出版社 1991
36.齐斯克烈里 无筋混凝土及配筋混凝土的抗拉强度 北京:电力工业出版社1956
37.张涛,林钟祥.坝内埋管联合承载的三维弹塑性有限元分析.水电站压力管道·岔 管·蜗壳.杭州:浙江大学出版社 1994
38.嘉禾工作室.ANSYS 5.7有限元实例分析教程.北京:机械工业出版社 2002
39.龚曙光,罗显光.ANSYS基础应用及范例解析.北京:机械工业出版社 2003
40.洪庆章,刘清吉,郭嘉源.ANSYS教学范例.北京:中国铁道出版社 2002
41.飞思科技产品研发中心 编著.MATLAB 6.5辅助图像处理.北京:电子工业出版社 2003
42.飞思科技产品研发中心 编著.MATLAB 6.5辅助优化计算与设计.北京:电子工业出版社 2003
43.吴凡.廊道设计方法研究.武汉大学硕士论文,2003.
44.朱勇华 邰淑彩 编.应用数理统计.武汉:武汉水利电力大学出版社 1999.
45. Chen W.F Plasticity in Reinforced Concrete. McGraw-Hill Book Company. New York,1982
46. Hu Hand Schnobrich W C. Nonlinear Analysis of Cracked Reinforced Concrete, ACI Struct. J. 87(2) 1990.
47. Gajer G and Dux P F. Strain Softening Analysis of Concrete Structures, Comput, Struct., 1989, 33(2):575-582
48. Bazant Z P. Stable state and Path for Structures With Damage and Plasticity. J. Engrg. Mech. ASCE, 1988, 114(2)
2.DL/T 5057-1996.水工混凝土结构设计规范.北京:中国电力出版社,1997.3
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18.马善定,伍鹤皋,秦继章主编.水电站压力管道.湖北科学技术出版社.2002.9.
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31.伍鹤皋,马善定,秦继章,匡会健 三峡水电站坝内埋管非线性有限元分析 武汉水利电力大学学报.1998(2):21～24
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33.匡会健,伍鹤皋,马善定.混凝土坝内钢管有限元分析.湖北水力发电 1992(3)
34.马善定,伍鹤皋,秦继章.坝内钢管工作机理和强度设计新概念.水利发电学报,1993(3)
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36.齐斯克烈里 无筋混凝土及配筋混凝土的抗拉强度 北京:电力工业出版社1956
37.张涛,林钟祥.坝内埋管联合承载的三维弹塑性有限元分析.水电站压力管道·岔 管·蜗壳.杭州:浙江大学出版社 1994
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40.洪庆章,刘清吉,郭嘉源.ANSYS教学范例.北京:中国铁道出版社 2002
41.飞思科技产品研发中心 编著.MATLAB 6.5辅助图像处理.北京:电子工业出版社 2003
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46. Hu Hand Schnobrich W C. Nonlinear Analysis of Cracked Reinforced Concrete, ACI Struct. J. 87(2) 1990.
47. Gajer G and Dux P F. Strain Softening Analysis of Concrete Structures, Comput, Struct., 1989, 33(2):575-582
48. Bazant Z P. Stable state and Path for Structures With Damage and Plasticity. J. Engrg. Mech. ASCE, 1988, 114(2)