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《太原理工大学》 2010年
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基于ANSYS的钢衬钢筋混凝土压力管道优化设计研究

朱立波  
【摘要】: 水电站钢衬钢筋混凝土压力管道的独特优势是钢衬与外围钢筋混凝土联合受力,同时允许在内水压作用下混凝土出现若干径向裂缝以发挥钢材强度。与压力钢管相比,在相同荷载条件下,它除了可以减薄钢衬,降低对板材加工、安装的难度并经济实用,还可降低发生事故的风险。这种管道布置在混凝土坝的下游坝面,对大坝整体结构削弱较少,又能避免坝体混凝土浇筑与钢管安装之间的施工干扰,已被国内外水电站工程设计所广泛采用。随着我国水电事业的不断发展,水电工程的规模日益庞大,水电站的压力管道的PD值也不断增大,作为水电站建筑关键性结构物,其运行安全稳定及结构形式直接关系到整个电站的安全稳定运行,关系到电站建设的投资,因此,准确地分析计算压力管道的应力状态,合理地选择钢衬厚度及外包混凝土的配筋率,具有十分重要的意义。 本文在前人研究的基础上根据钢衬钢筋混凝土压力管道设计规范、结合结构模型实验成果和非线性分析理论,建立钢衬钢筋混凝土压力管道计算模型,使用先进有限元软件ANSYS对钢衬钢筋混凝土压力管道进行非线性分析,从而得到钢衬钢筋混凝土压力管道的应力分布特点和破坏机理;对钢衬钢筋混凝土压力管道的应力发展历程作了具体的分析;在保证结构安全性和混凝土开裂不超过允许值的前提下,对管道进行了优化设计。研究结果表明: 1.运用ANSYS软件对水电站压力管道进行三维非线性有限元计算可以考虑混凝土与钢筋的交互作用,多轴应力状态下的材料特性,混凝土的开裂特性等因素,计算结果较经典理论分析更能反映实际。 2.钢衬钢筋混凝土管道断面型式对管道的应力分布有很大影响,采用不同的计算有限元模型所得的结果可能相差很大。 3.在钢衬钢筋混凝土压力管道结构优化设计中,约束条件众多,要全面考虑各种约束条件,遗漏或不恰当地规定约束条件,也会导致得不到最优解。钢材用量优化时,不能一味地追求尽量发挥钢材的作用,理论上必须同时保证由安全系数计算所得钢材折算厚度和以满足钢筋应力表达的混凝土开裂条件的钢材配置才是对结构有利的。 4.结构优化时,用轴对称圆环模型进行有限元分析,可以方便地提取状态变量参数,所得结果比较可靠。经过优化,截面设计变量已最大程度的满足混凝土表面裂缝的限制要求,但考虑到方圆形模型腰部控制截面外环钢筋有可能出现较大拉应力而较早屈服,为防止最外层钢筋较早屈服,方圆形模型腰部控制截面(约-30°~35°)处还需多布置一些钢材。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TV732.42

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【参考文献】
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