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钢筋混凝土特种结构有限元配筋设计方法实用化研究

徐强  
【摘要】:本文基于三维弹性有限元和二维非线性有限元相结合的有限元配筋设计思路,依据“结构承载力配筋”、“裂缝控制配筋”和“优化配筋”的综合配筋设计原则,对有限元配筋方法的实用性进行研究,重点解决了数据传递过程中的若干关键问题和配筋的优化分析,开发了配筋设计的可视化管理系统,并将该方法应用到三个重大工程的配筋设计中。本文的主要研究工作包括: 1、通过对“弹性应力等效原则”的分析,明确了三维弹性有限元和二维非线性有限元相结合的有限元配筋方法的合理性,并对三维弹性有限元计算结果与二维有限元模型之间数据传递进行研究,重点解决剪应力计算、剪应力差计算、节点剪力计算、边界条件确定和荷载合理性评估等技术难题。 2、结合二维有限元分析的计算结果和多目标规划方法,给出配筋优化计算的目标函数、计算变量和约束条件。采用理想点法将多目标规划降幂为单目标优化,并运用0.618法进行迭代计算。 3、开发钢筋混凝土特种结构配筋设计可视化管理系统。系统包括:二维非线性有限元的前处理程序、Ansys调用、二维非线性有限元计算程序调用、配筋优化计算程序和AutoCAD二次开发的后处理程序等内容。 4、对龙滩导流隧洞进水口结构进行配筋设计研究,计算进水口结构的应力分布、裂缝开展宽度、钢筋应力分布等,明确原配筋方案总体上能够满足工程实际要求,同时指出:中墩结构的前部和后部应力值很小,钢筋配置可相应的减少,门槽附近是配筋设计的关键区域,此处采用型钢代替钢筋对裂缝的控制并不理想。并建议:焊接钢筋结点,确保锚固的可靠性;采取措施防止高压水渗入裂缝以控制裂缝宽度;优化裂缝开展区钢筋配置为3(?)32。 5、对苏通大桥桥墩结构进行配筋设计研究,通过对弹性应力分布、裂缝形态和钢筋应力的分析,可知:承台底部钢筋配置较多,而内部钢筋相对较少,裂缝宽度和钢筋应力在裂缝内部达到最大值,建议减少底部配筋量而增加内部配筋量,实现裂缝宽度控制的同时,确保裂缝总体分布形态不变。 6、对龙滩水电站5号坝段孔口结构进行配筋设计研究,重点分析高压水、坝间横缝灌浆和钢筋焊结锚固对裂缝形态、侧向位移、表层裂缝宽度、深层裂缝开展形态和钢筋应力的影响。计算结果表明:配筋没有有效阻止贯穿裂缝的出现,可采取一定的构造措施—横缝灌浆和钢筋锚固来限制裂缝的开展宽度。


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