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地下洞室三维非线性有限元及可靠度分析

朱殿芳  
【摘要】: 在水利土木工程结构分析中,人们常用传统的单一安全系数法,由于该方法不能考虑结构各参变量客观存在的随机特征,而存在诸多自身不能克服的弊端,于是人们在进行结构分析时,开始考虑影响结构各种因素的随机特征,用结构的可靠度来度量结构的可靠性能,以使工程结构设计更趋科学、合理,更能反映问题的本质。 映秀湾水电站地下厂房自70年代初建成运行即发现混凝土顶拱有多条纵、横向裂缝,随时间推移,顶拱裂缝不断扩展,且日趋严重。数目众多的纵、横向裂缝已大大削弱了混凝土顶拱的强度、刚度及稳定性,危及地下厂房的安全运行。本文根据映秀湾水电站地下厂房的实际情况,对其进行了三维非线性有限元分析及结构可靠度分析,并在对厂房顶拱裂缝原型观测资料分析的基础上,提出了顶拱裂缝的监测设施布置方案。 本文针对映秀湾水电站地下厂房的工程实际,选择典型浇筑块段,采用Druker-prager准则对其洞室结构进行了三维非线性有限元分析。整个计算域共剖分为6156个节点、5570个单元,重点对混凝土顶拱进行了研究。研究成果表明,断层E_(229)、f_(115)对厂房变位及应力影响较为明显,厂房顶拱中轴线右侧受拉屈服区域与贯穿第八、第九浇筑块的纵向裂缝位置基本吻合,表明实际存在的纵向裂缝主要为受拉破坏所致;温升、温降两种工况下洞室周边及顶拱左、右两拱端的压、剪应力水平较高,为形成剪压型横向裂缝的主要原因之一。 目前,对类似水电站厂房等大型地下洞室结构的可靠度分析已成为国内外有关学者的研究焦点之一,由于结构的复杂性,其结构功能函数无法用显式表达,以致无法直接使用一次二阶法及其改进方法。而且象这种大型的复杂结构 四 川 大 学 硕 士 学 位 论 文 采用蒙特卡洛法,将需成千上万次模拟,使之实用性受到质疑。为此,本文采 用响应面法构造模拟函数,进行了映秀湾水电站地下厂房洞室及混凝土顶拱的 可靠度分析。研究成果表明,厂房混凝土顶拱的可靠指标水平不高,可靠指标 障值为1.5~4.8,温升工况下的赠较温降工况下的陌略高。根据混凝土结构 腑分析,计算结果与实际混凝土顶拱出现纵、横裂缝的情况基本吻合。 根据作者查阅大量文献表明,采用响应面法进行大型地下洞室的结构可靠 度分析尚属首次。本研究成果表明,利用响应面法构造功能函数之后,计算结 构的可靠指标时,一般只需迭代4~5次即能满足精度要求。该方法工效高,工 作量小,并无需改动确定性的结构分析程序,适应性强,在大型复杂结构的可 靠度分析中具推广价值。 映秀湾水电站地下厂房混凝土顶拱结构的三维非线性有限元及可靠度分 析表明,洞室结构三向位移分布规律性较强,量值不大,不会对结构变形稳定 构成威胁。洞室周边应力水平较高,尤其是顶拱纵轴线附近有明显的拉应力曲 屈区域,拱身特别是拱端压、剪应力较大。顶拱可靠指标厢呈现出左大、右 小的现象,温升工况下,可靠指标p功的点率为 75刀%,尸=3~4的点率为 12.5%,尸o的点率为12.5%。其中,左拱端区域绝大部分结点可靠指标g值 在 4.8左右;温降工况下,可靠指标卢三4的点率为 20.0%,个3~4的点率为 47.5%,尸o的点率为32.5%。其中,左拱端区域绝大部分结点可靠指标卢值 在4左右。由此可见,映秀湾水电站地下厂房混凝土顶拱结构可靠指标整体偏 低,在各种环境因素共同作用下,产生众多纵、横向裂缝是必然的。


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