大孔径预应力连体式圆形倒虹吸结构研究
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摘要
南水北调中线工程从长江支流汉江丹江口水库引水,经湖北、河南、河北输水到北京、天津,总干线全长1267km。沿线交叉建筑物根据地形地质条件采用渡槽、涵洞、倒虹吸等型式。其中倒虹吸结构占了很大的比例,仅河北省境内大型的渠道倒虹吸建筑物就有14座,尽管数量众多,但是结构形式单一,所有的倒虹吸结构均采用箱涵,其他的结构形式由于设计理论和技术难度得不到应用。本文就是基于改善倒虹吸结构的受力条件,对圆形倒虹吸结构做初步的研究,而单环预应力结构已经比较成熟,但连体的环形预应力管道还是一个空白,为满足大流量、低水头损失的输水等功能,本课题对该形式的结构进行了研究。
主要研究过程结合李阳河倒虹吸工程进行。穿李阳河倒虹吸工程是南水北调中线工程总干渠河北省南段大型河渠交叉建筑物之一,拟建于河北省内丘县城西约1.0km的李阳河西支、北支交汇处。本文主要提出了预应力连体圆形方案。由于该方案结构复杂,没有成熟的计算公式,也没有可以借鉴的理论分析,所以采用有限元数值模拟来研究。通过对各方案进行数值模拟,首先,得出可行性结论;然后对推荐的方案进行详细的研究,在满足使用要求的各种荷载工况的条件下,确定该结构合理的壁厚、管间距离、底座厚度、钢绞线布置等具体的参数。研究成果一方面对工程进行了优化,另一方面也填补了倒虹吸结构的空白。为以后的工程选型提供了参考。
The Project of Middle Ling for Transferring Water from South to North (PMTSN) is 1267 Km long. The water source is in Dan Jiangkou reservoir which is on the Hanjiang River that subsidized to Yangtze River. The route ends at Peking and Tianjin , through province of Hubei、Henan and Hebei. The across structures on this line suggested are slots、culverts and inverted-siphons according to the geology and geography etc.And inverted-siphons are in larger proportion. There are 14 inverted-siphons only in Hebei section. Though the amount is numerous, but the structure pattern is unique, they all adopt a box cross section; other structure patterns can not get an application because of the design theories and the technique difficulty. In order to the improve the inverted-siphons work stress conditions, this text is main to do an initial research to the circular structure .but the single pipe research is already more mature, and the allied circular prestressed structure is a blank, to meet the designed water discharge ability etc. function, this topic's structure to that form carries on a research.
The main research process combines the inverted-siphons on Liyang River to carry on. Liyang inverted-siphons is one of the larger cross structure on PMTSN in south of the Hebei province. And it is built about the 1.0 Kms to the west of Neiqiu County in Hebei province; it is the joint place of the east hand and the north hand of Liyang River. This text mainly put forward allied circular prestressed structure .Because there is no mature calculation formula for the intricate structure, or reference for theories analysis about this, so we study by numerical simulation. Then get possibility conclusion first; Then carry on a detailed research to the recommended plan, make sure the correct size like thickness of the wall of the structure、distance between each two pipes、the base thickness、decoration of steel wring etc. This study can provide an excellent design scheme; it also filled up to inverted-siphon structural blank on the other hand. It provides a reference for the latter work.
主要研究过程结合李阳河倒虹吸工程进行。穿李阳河倒虹吸工程是南水北调中线工程总干渠河北省南段大型河渠交叉建筑物之一,拟建于河北省内丘县城西约1.0km的李阳河西支、北支交汇处。本文主要提出了预应力连体圆形方案。由于该方案结构复杂,没有成熟的计算公式,也没有可以借鉴的理论分析,所以采用有限元数值模拟来研究。通过对各方案进行数值模拟,首先,得出可行性结论;然后对推荐的方案进行详细的研究,在满足使用要求的各种荷载工况的条件下,确定该结构合理的壁厚、管间距离、底座厚度、钢绞线布置等具体的参数。研究成果一方面对工程进行了优化,另一方面也填补了倒虹吸结构的空白。为以后的工程选型提供了参考。
The Project of Middle Ling for Transferring Water from South to North (PMTSN) is 1267 Km long. The water source is in Dan Jiangkou reservoir which is on the Hanjiang River that subsidized to Yangtze River. The route ends at Peking and Tianjin , through province of Hubei、Henan and Hebei. The across structures on this line suggested are slots、culverts and inverted-siphons according to the geology and geography etc.And inverted-siphons are in larger proportion. There are 14 inverted-siphons only in Hebei section. Though the amount is numerous, but the structure pattern is unique, they all adopt a box cross section; other structure patterns can not get an application because of the design theories and the technique difficulty. In order to the improve the inverted-siphons work stress conditions, this text is main to do an initial research to the circular structure .but the single pipe research is already more mature, and the allied circular prestressed structure is a blank, to meet the designed water discharge ability etc. function, this topic's structure to that form carries on a research.
The main research process combines the inverted-siphons on Liyang River to carry on. Liyang inverted-siphons is one of the larger cross structure on PMTSN in south of the Hebei province. And it is built about the 1.0 Kms to the west of Neiqiu County in Hebei province; it is the joint place of the east hand and the north hand of Liyang River. This text mainly put forward allied circular prestressed structure .Because there is no mature calculation formula for the intricate structure, or reference for theories analysis about this, so we study by numerical simulation. Then get possibility conclusion first; Then carry on a detailed research to the recommended plan, make sure the correct size like thickness of the wall of the structure、distance between each two pipes、the base thickness、decoration of steel wring etc. This study can provide an excellent design scheme; it also filled up to inverted-siphon structural blank on the other hand. It provides a reference for the latter work.
引文
[1] 王开章.现代水资源分析与评价[M].北京:化学工业出版社,2006
[2] 杨立信.国外调水工程[M]. 北京:中国水利水电出版社,2003
[3] 李善同主编.南水北调与中国发展[M].北京:中国水利水电出版社,2003
[4] 张修真主编.南水北调-中国可持续发展的支撑工程[M]. 北京:中国水利水电出版社,2003
[5] 余际可,罗尚生,田文铎.倒虹吸管[M].北京:水利电力出版社,1994
[6] 田文铎.引水管涵设计中的几个问题探讨[J].水利水电工程设计,2002,21(4):12~14
[7] 薛守义.有限单元法[M].北京:中国建材工业出版社,2005.1~50
[8] 江见鲸、叶志明等.土木工程概论[M]. 北京:高等教育出版社,2002
[9] 雷晓燕.有限元法[M].北京:中国铁道出版社,2000
[10] Logan D.L.著.有限元方法基础教程(第三版)[M].伍义生等译.北京:电子工业出版社,2002(2003 译)
[11] Bathe K J and Wilson E l.Numerical Methods in Finite Element Analysis [M]. Prentice-Hall,Inc.,1976
[12] Bathe K J,Finite Eelement Procedures in Engineering Analysis[M]. Prentice-Hall,Inc.,1982
[13] 陈国荣.弹性力学[M].南京:河海大学出版社,2002
[14] 蒋友谅.非线性有限元法[M].北京:北京工业学院出版社,1988
[15] 殷有泉.固体力学非线性有限元引论[M].北京:北京大学出版社,2003
[16] 王列衡,许学军.有限元法的数学基础[M].北京:科学出版社,2004
[17] 孙 钧.地下结构有限元法解析[M].上海:同济大学出版社,1988.
[18] Rao S S.The Finite Element Method in Engineering[M].Pergamon Press,1992
[19] Lee N S and Bathe K J. Effects of Element Distortions on the Performance of Isoparametric Elements[J].Int.J.Numer.Meth.Engng.,1993,36:3553～3576
[20] 李黎明. ANSYS 有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.1
[21] 郝文化等.ANSYS 土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005
[22] Saeed Moaveni.有限元分析-ANSYS 理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004
[23] 东方人华.ANSYS7.0 入门与提高[M].北京:清华大学出版,2004.7
[24] 唐兴伦,范群波.ANSYS 工程应用教程[M].北京:中国铁道出版社,2003.11
[25] 江见鲸等.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2005
[26] 杜拱辰.现代预应力混凝土结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1988
[27] 李国平主编.预应力混凝土结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2000
[28] 水工钢筋混凝土结构(第三版)[M].北京:中国水利水电出版社,2000
[29] 罗凌云.预应力钢绞线施工技术在混凝土有压涵管的应用[J].广东水利水电,2003,9 增刊
[30] 刘兴宁, 张宗亮, 刘显晖. 天生桥一级水电站引水系统环锚试验[D]. 见:世纪之交的预应力新技术. 北京:专利文献出版社, 1998.
[31] 赵顺波, 江瑞俊, 李树瑶. 小浪底工程排沙洞无粘结预应力混凝土衬砌试验段实测分析[J]. 水利水电技术,999, (9): 28-33.
[32] 孙景振, 张安平. 隔河岩水电站引水隧洞环形后张法预应力施工[J]. 水力发电, 1993, 234(10): 55-58.
[33] 李晓克,赵顺波,赵国藩.预应力混凝土压力管道设计方法.工程力学[J],2004.21(6)124～130
[34] 李晓克,赵顺波,赵国藩.单环预应力作用下混凝土压力管道受力分析研究[J].大连理工大学学报,2004.3
[35] 陶学康.后张预应力混凝土设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1996
[36] 杨宗放,方先和.现代预应力混凝土施工[M].北京:中国建筑工业出版社,1993
[37] 卢树圣.现代预应力混凝土理论与应用[M].北京:中国铁道出版社,2000
[38] 陈惠玲主编.高效预应力结构设计施工实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2000
[39] 李晓克, 赵顺波, 江瑞俊. 高效预应力混凝土压力管道试验与技术经济对比[J]. 水力发电学报, 2001, (4): 4-43.
[40] Hetenyi. A general solution for the bending of beams on an elastic foundation of arbitrary continuity [J]. J. Appl.Phys, 1981, 21: 47-53.
[41] 李晓克,严振瑞,黄建添,等.浅埋式预应力混凝土压力管道结构设计与技术经济比较[J].水利水电技术,2002,(6).
[42] 杨国旗,石自堂.大型渠道倒虹吸设计探讨[J].中国农村水利水电.1999
[43] Xu X,Cai R F.A New Plat Shell Element of 16 Nodes 40 Degrees of Freedom by Relative Displacement Method[J].Communication in Numerical Methods in Engineering,Vol.9,1993
[44] 中华人民共和国国家标准.预应力混凝土用钢绞线(GB/T5224-1995) [S].北京:中华人民共和国国家标准,1995
[45] 陈滔.基于有限单元柔度法的框架结构三维非弹性地震反应分析[J].重庆:重庆大学,2003.
[46] 薛守义,刘汉东.岩体工程学科性质透视[M].郑州:黄河水利出版社,2002
[47] 薛守义.弹塑性力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2005
[48] Belytschko T,Lu Y Y,Gu L.Element-free Galerkin Methods[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,1994,37(2):229～256
[49] 王柱红,马建勋.倒虹吸钢筋混凝土管温度应力分析[J].水利水电工程设计.2003
[50] 冯大斌,栾贵臣.后张预应力混凝土施工手册[J].北京:中国建筑工业出版社,1999
[51] 钱家欢.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社,1996
[52] 过镇海.钢筋混凝土原理[M].北京:清华大学出版社,1999
[53] 赵海燕,邓莉辉.南水北调工程倒虹吸结构三维节理元计算模型的建立[J].上海交通大学学报,2000.4
[54] 黄宗明,陈滔.基于有限单元柔度法和刚度法的非线性梁柱单元比较研究[J]12.工程力学,2003,20(5).
[55] 丁仕辉.大直径现浇混凝土预应力圆管裂缝成因分析及解决措施[J].西北水电,2004,
[56] 张社荣,张崇文.混凝土空心壁圆管的力学分析[J].天津大学学报,1993(3)
[57] 汪基伟,吴胜兴.施工期温度裂缝钢筋混凝土有限元计算[J].水利水运科学研究,1998(4)
[58] 薛伟辰.现代预应力结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2003
[59] 吕志涛,孟少平.现代预应力设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1998
[60] 车惠民,邵厚坤,李箫萍.部分预应力混凝土[M].成都:西南交通大学出版社,1992
[61] Antoine, E.Naaman.Partially prestressed concrete, Review and Review and Recommendations[J], PCI Journal, November-December 1985
[62] 冯大斌,栾贵臣.后张预应力混凝土施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999
[63] 中华人民共和国行业标准.无粘结预应力混凝土结构技术规程(JGJ/T92-93) [S].北京:中国建筑工业出版社,1994
[64] 中华人民共和国电力工业部西北勘测设计研究院主编.水工混凝土结构设计规范(SL/T191-96)[S].北京:中国水利水电出版社,1997
[65] 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.南水北调中线工程渠道倒虹吸土建部分初步设计大纲[D].2004.4
[2] 杨立信.国外调水工程[M]. 北京:中国水利水电出版社,2003
[3] 李善同主编.南水北调与中国发展[M].北京:中国水利水电出版社,2003
[4] 张修真主编.南水北调-中国可持续发展的支撑工程[M]. 北京:中国水利水电出版社,2003
[5] 余际可,罗尚生,田文铎.倒虹吸管[M].北京:水利电力出版社,1994
[6] 田文铎.引水管涵设计中的几个问题探讨[J].水利水电工程设计,2002,21(4):12~14
[7] 薛守义.有限单元法[M].北京:中国建材工业出版社,2005.1~50
[8] 江见鲸、叶志明等.土木工程概论[M]. 北京:高等教育出版社,2002
[9] 雷晓燕.有限元法[M].北京:中国铁道出版社,2000
[10] Logan D.L.著.有限元方法基础教程(第三版)[M].伍义生等译.北京:电子工业出版社,2002(2003 译)
[11] Bathe K J and Wilson E l.Numerical Methods in Finite Element Analysis [M]. Prentice-Hall,Inc.,1976
[12] Bathe K J,Finite Eelement Procedures in Engineering Analysis[M]. Prentice-Hall,Inc.,1982
[13] 陈国荣.弹性力学[M].南京:河海大学出版社,2002
[14] 蒋友谅.非线性有限元法[M].北京:北京工业学院出版社,1988
[15] 殷有泉.固体力学非线性有限元引论[M].北京:北京大学出版社,2003
[16] 王列衡,许学军.有限元法的数学基础[M].北京:科学出版社,2004
[17] 孙 钧.地下结构有限元法解析[M].上海:同济大学出版社,1988.
[18] Rao S S.The Finite Element Method in Engineering[M].Pergamon Press,1992
[19] Lee N S and Bathe K J. Effects of Element Distortions on the Performance of Isoparametric Elements[J].Int.J.Numer.Meth.Engng.,1993,36:3553～3576
[20] 李黎明. ANSYS 有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.1
[21] 郝文化等.ANSYS 土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005
[22] Saeed Moaveni.有限元分析-ANSYS 理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004
[23] 东方人华.ANSYS7.0 入门与提高[M].北京:清华大学出版,2004.7
[24] 唐兴伦,范群波.ANSYS 工程应用教程[M].北京:中国铁道出版社,2003.11
[25] 江见鲸等.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2005
[26] 杜拱辰.现代预应力混凝土结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1988
[27] 李国平主编.预应力混凝土结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2000
[28] 水工钢筋混凝土结构(第三版)[M].北京:中国水利水电出版社,2000
[29] 罗凌云.预应力钢绞线施工技术在混凝土有压涵管的应用[J].广东水利水电,2003,9 增刊
[30] 刘兴宁, 张宗亮, 刘显晖. 天生桥一级水电站引水系统环锚试验[D]. 见:世纪之交的预应力新技术. 北京:专利文献出版社, 1998.
[31] 赵顺波, 江瑞俊, 李树瑶. 小浪底工程排沙洞无粘结预应力混凝土衬砌试验段实测分析[J]. 水利水电技术,999, (9): 28-33.
[32] 孙景振, 张安平. 隔河岩水电站引水隧洞环形后张法预应力施工[J]. 水力发电, 1993, 234(10): 55-58.
[33] 李晓克,赵顺波,赵国藩.预应力混凝土压力管道设计方法.工程力学[J],2004.21(6)124～130
[34] 李晓克,赵顺波,赵国藩.单环预应力作用下混凝土压力管道受力分析研究[J].大连理工大学学报,2004.3
[35] 陶学康.后张预应力混凝土设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1996
[36] 杨宗放,方先和.现代预应力混凝土施工[M].北京:中国建筑工业出版社,1993
[37] 卢树圣.现代预应力混凝土理论与应用[M].北京:中国铁道出版社,2000
[38] 陈惠玲主编.高效预应力结构设计施工实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2000
[39] 李晓克, 赵顺波, 江瑞俊. 高效预应力混凝土压力管道试验与技术经济对比[J]. 水力发电学报, 2001, (4): 4-43.
[40] Hetenyi. A general solution for the bending of beams on an elastic foundation of arbitrary continuity [J]. J. Appl.Phys, 1981, 21: 47-53.
[41] 李晓克,严振瑞,黄建添,等.浅埋式预应力混凝土压力管道结构设计与技术经济比较[J].水利水电技术,2002,(6).
[42] 杨国旗,石自堂.大型渠道倒虹吸设计探讨[J].中国农村水利水电.1999
[43] Xu X,Cai R F.A New Plat Shell Element of 16 Nodes 40 Degrees of Freedom by Relative Displacement Method[J].Communication in Numerical Methods in Engineering,Vol.9,1993
[44] 中华人民共和国国家标准.预应力混凝土用钢绞线(GB/T5224-1995) [S].北京:中华人民共和国国家标准,1995
[45] 陈滔.基于有限单元柔度法的框架结构三维非弹性地震反应分析[J].重庆:重庆大学,2003.
[46] 薛守义,刘汉东.岩体工程学科性质透视[M].郑州:黄河水利出版社,2002
[47] 薛守义.弹塑性力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2005
[48] Belytschko T,Lu Y Y,Gu L.Element-free Galerkin Methods[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,1994,37(2):229～256
[49] 王柱红,马建勋.倒虹吸钢筋混凝土管温度应力分析[J].水利水电工程设计.2003
[50] 冯大斌,栾贵臣.后张预应力混凝土施工手册[J].北京:中国建筑工业出版社,1999
[51] 钱家欢.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社,1996
[52] 过镇海.钢筋混凝土原理[M].北京:清华大学出版社,1999
[53] 赵海燕,邓莉辉.南水北调工程倒虹吸结构三维节理元计算模型的建立[J].上海交通大学学报,2000.4
[54] 黄宗明,陈滔.基于有限单元柔度法和刚度法的非线性梁柱单元比较研究[J]12.工程力学,2003,20(5).
[55] 丁仕辉.大直径现浇混凝土预应力圆管裂缝成因分析及解决措施[J].西北水电,2004,
[56] 张社荣,张崇文.混凝土空心壁圆管的力学分析[J].天津大学学报,1993(3)
[57] 汪基伟,吴胜兴.施工期温度裂缝钢筋混凝土有限元计算[J].水利水运科学研究,1998(4)
[58] 薛伟辰.现代预应力结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2003
[59] 吕志涛,孟少平.现代预应力设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1998
[60] 车惠民,邵厚坤,李箫萍.部分预应力混凝土[M].成都:西南交通大学出版社,1992
[61] Antoine, E.Naaman.Partially prestressed concrete, Review and Review and Recommendations[J], PCI Journal, November-December 1985
[62] 冯大斌,栾贵臣.后张预应力混凝土施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999
[63] 中华人民共和国行业标准.无粘结预应力混凝土结构技术规程(JGJ/T92-93) [S].北京:中国建筑工业出版社,1994
[64] 中华人民共和国电力工业部西北勘测设计研究院主编.水工混凝土结构设计规范(SL/T191-96)[S].北京:中国水利水电出版社,1997
[65] 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.南水北调中线工程渠道倒虹吸土建部分初步设计大纲[D].2004.4