无粘结环锚预应力混凝土衬砌三维有限元计算分析研究
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摘要
随着预应力混凝土技术的不断完善和发展,其应用领域和应用范围不断扩大。无粘结钢绞线由于具有预应力摩擦损失小、不需预留孔道和便于施工安装等优点,在一些应力不太大的圆筒形预应力混凝土结构中得到广泛应用,如水池、煤仓、粮仓等。近年来,有些内水压力较大的水工洞室也采用无粘结环锚预应力混凝土衬砌,如引水隧洞、调压室等。这种结构形式在结构布置、预应力分布、施工操作和工程造价等多方面具有明显的优势和发展前景。但目前此种衬砌有限元分析技术方面的经验是不成熟的,有必要进行这方面的研究工作。
本文以山西西龙池工程无粘结预应力混凝土衬砌为例,运用有限元方法对此种衬砌进行了计算分析。主要内容如下:
(1)无粘结预应力混凝土衬砌三维有限元模型中锚索预应力的分析计算。把锚索预应力当作外力施加到衬砌模型上,并采用荷载分布系数法考虑锚索预应力的不均匀分布特性。此种计算方法,简化了有限元模型,减少了有限元数量,简单地实现了衬砌中锚索预应力的施加。
(2)建立无粘结环锚预应力混凝土衬砌三维有限元模型。小浪底工程衬砌有限元计算在施工,检修,运行均采用同一种计算模型。本文通过进一步研究,讨论分析了影响此种结构三维有限元模型建立的诸多因素。提出了建立此种结构模型的新思路。
(3)西龙池工程无粘结环锚预应力混凝土衬砌三维有限元计算分析。本文在小朗底工程三种工况(施工,检修,运行)分析的基础上,补充了三维有限元计算结果分析技术,考虑了两种可能在施工中出现的不利情形,保证工程的安全性和经济性。
(4)单排锚具槽布置衬砌有限元计算分析。鉴于双排锚具槽布置衬砌的不足之处,本文提出了单排锚具槽布置方案,并对此种衬砌结构的有限元模型进行了分析计算,得到单排锚具槽衬砌的比较优势。
The tunnel liner of unbonded circular anchored tendons had been used in modernhydroelectric engineering. It has a lot of advantages over traditional tunnel linermethods such as simpler in installation, more uniform in distribution of the prestress,more economical of the cost and etc. But the experience of using three dimensionsfinite element analysis (3D FEA) method to analyze a tunnel liner is seldom.
In coordination with the XiLongChi Project in ShanXi province, this thesis willanalyze the stress distribution of the tunnel liner in details with 3D FEA method. Themain contents are listed as below:
(1) The method of how to apply the tensioning force in the tendons in the calculationmodel. The tendons effect is took as the outer loads transferred to the liner model,and the load distribution coefficient is introduced to study the characteristic of theuniform cable prestress. The calculation methods with simple finite element modeland decreased number of the finite element make it easy to the consideration oftendons effect than before.
(2) Establishing methods of the FEA model. Several factors are discussed, which is animprovement on the similar analyzing model used ever before. A new method isalso provided to establish the tunnel liner FEM or the parallel structure model.
(3) The skills for analyzing the calculation results. Except for the regular calculationitems, two appending conditions were considered in the thesis, one is theoptimizing on the tensioning procedure, another is assuming the break-off of atendon.
(4) A new structure with one row of boxouts was proposed and analyzed.
本文以山西西龙池工程无粘结预应力混凝土衬砌为例,运用有限元方法对此种衬砌进行了计算分析。主要内容如下:
(1)无粘结预应力混凝土衬砌三维有限元模型中锚索预应力的分析计算。把锚索预应力当作外力施加到衬砌模型上,并采用荷载分布系数法考虑锚索预应力的不均匀分布特性。此种计算方法,简化了有限元模型,减少了有限元数量,简单地实现了衬砌中锚索预应力的施加。
(2)建立无粘结环锚预应力混凝土衬砌三维有限元模型。小浪底工程衬砌有限元计算在施工,检修,运行均采用同一种计算模型。本文通过进一步研究,讨论分析了影响此种结构三维有限元模型建立的诸多因素。提出了建立此种结构模型的新思路。
(3)西龙池工程无粘结环锚预应力混凝土衬砌三维有限元计算分析。本文在小朗底工程三种工况(施工,检修,运行)分析的基础上,补充了三维有限元计算结果分析技术,考虑了两种可能在施工中出现的不利情形,保证工程的安全性和经济性。
(4)单排锚具槽布置衬砌有限元计算分析。鉴于双排锚具槽布置衬砌的不足之处,本文提出了单排锚具槽布置方案,并对此种衬砌结构的有限元模型进行了分析计算,得到单排锚具槽衬砌的比较优势。
The tunnel liner of unbonded circular anchored tendons had been used in modernhydroelectric engineering. It has a lot of advantages over traditional tunnel linermethods such as simpler in installation, more uniform in distribution of the prestress,more economical of the cost and etc. But the experience of using three dimensionsfinite element analysis (3D FEA) method to analyze a tunnel liner is seldom.
In coordination with the XiLongChi Project in ShanXi province, this thesis willanalyze the stress distribution of the tunnel liner in details with 3D FEA method. Themain contents are listed as below:
(1) The method of how to apply the tensioning force in the tendons in the calculationmodel. The tendons effect is took as the outer loads transferred to the liner model,and the load distribution coefficient is introduced to study the characteristic of theuniform cable prestress. The calculation methods with simple finite element modeland decreased number of the finite element make it easy to the consideration oftendons effect than before.
(2) Establishing methods of the FEA model. Several factors are discussed, which is animprovement on the similar analyzing model used ever before. A new method isalso provided to establish the tunnel liner FEM or the parallel structure model.
(3) The skills for analyzing the calculation results. Except for the regular calculationitems, two appending conditions were considered in the thesis, one is theoptimizing on the tensioning procedure, another is assuming the break-off of atendon.
(4) A new structure with one row of boxouts was proposed and analyzed.
引文
[1] 潘家铮,水工隧洞和调压室(水工隧洞部分)[M],水利水电出版社,1990
[2] John O.Bickle,T.R.Kuesel Bickle,John O.Tunnel engineering handbook[M],New York: Van Nostrand Reinhold Co.,1982
[3] 项目主持单位:水利部黄河水利委员会勘测规划设计研究院,项目部黄河水利委员会,黄河水利科学研究院,小浪底排沙洞后张法无粘结预应力衬砌的试验研究[M],1999.7
[4] 李泽民,肖豫,毛文然,王勇,张国, 南阳回龙抽水蓄能电站高压洞灌浆式预应力混凝土衬砌计算分析,黄河规划设计,2004.4
[5] 谷兆其、彭守拙、李仲奎编著,地下洞室工程[M],清华大学出版社,1994.5
[6] 朱合华等,新奥法技术与隧道结构的计算[J],公路隧道,1998(2)
[7] 洪议学,清江隔河岩电站引水隧洞后张预应力混凝土衬砌研究(申请硕士论文),武汉大学,2001
[8] 张有天,隧道施工变形过程分析[J],岩石力学与工程学报, 1992,11(2),63-71
[9] 金丰年,钱七虎,隧道开挖的三维有限元计算[J],岩石力学与工程学报,1996.15(3),193-200
[10] 朱合华等,天荒坪抽水蓄能电站试验洞掘进面空间效应分析[J],工程勘察,1994(3)1-6
[11] 朱合华等,新奥法技术与隧道结构的计算[J],公路隧道,1998(2)
[12] 洪议学,清江隔河岩电站引水隧洞后张预应力混凝土衬砌研究(申请硕士论文),武汉大学,2001
[13] 扬林德,公路隧道结果设计方法研究,(申请硕士论文),同济大学,2002
[14] 姜勇,张波,ANSYS 实例精解[M],清华大学出版社,2004.1
[15] 中华人民共和国电力工业部,DL/T5057-1996,水工混凝土结构设计规范[M],中国电力出版社,1996.9
[16] 山西西龙池抽水蓄能电站工程环锚预应力混凝土衬砌设计计算任务书,北京国电水利电力工程有限公司,2003.11
[17] Fernandeg G. Behavior of Pressure Tunnels and Guidelines for Liner Design[J]. Journal of Geotechnic Engineering, ASCE,1995,120(1),1768-1787
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[19] T.D.奥罗克,隧道衬砌设计指南[M],中国铁道出版社,1987.北京
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[24] 亢景富,胡玉明,冯乃谦,小浪底排沙洞出口闸室仿真模型试验研究[J],水利学报,1998.1
[25] 沈明荣,岩体力学[M],上海,同济大学出版社,1999
[26] Ahmed Moussa,Harald Wagner,Effect of construction speed on the behavior of NATM tunnels[J],Computer Methods and Advance in Geomechanics,yuna(ed),1997
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[28] 叶先磊,史亚杰,ANSYS 工程分析软件应用实例[M],清华大学出版社,2003
[29] 房贞政,无粘结与部分预应力结构[M],人民交通出版社,1999
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[33] 徐芝纶,弹性力学[M],人民教育出版社,1983
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