月牙肋钢岔管联合承载机理研究

论文摘要

随着水电站压力管道研究的进展,埋藏式内加强月牙肋钢岔管得到了较广泛的应用。然而目前埋藏式钢岔管通常是按明岔管来设计的,围岩分担内水压力的作用仅视为一种额外的安全储备,没有明确的埋管状态下的设计方法,对钢岔管、回填混凝土、围岩三者组成的联合承载结构研究不多。本文旨在通过现场原位模型试验和三维有限元数值分析相结合的手段,研究内水压力作用下,钢岔管、回填混凝土、围岩联合承载结构的应力分布和荷载传递规律。本文首先针对山西西龙池抽水蓄能电站高压钢岔管现场原位模型试验进行了分析,对比了明管状态与埋管状态管壁的应力分布,初步了解回填混凝土和围岩对钢岔管的帮助作用,即围岩分担率的大小,并探讨了内水压力传递的规律。然后针对现场原位模型试验利用MSC.Patran建立了三维有限元模型,并采用有限元计算软件——Abaqus进行计算及后处理,研究钢岔管、混凝土和围岩三者紧密接触的情况下,内水压力荷载的传递规律。接下来在三维有限元模型中引入了GAP缝隙单元,利用GAP单元的特性,研究了钢岔管联合承载结构运行的全过程,即钢岔管在内水压力作用下变形,使钢岔管与回填混凝土、回填混凝土与围岩之间的初始缝隙完全闭合这一过程中钢岔管的应力分布以及内水压力的传递规律。在此基础上分析了管壳厚度、混凝土弹模、围岩弹模、初始缝隙等参数对荷载传递的影响,并分析了较贴近工程实际情况的围岩分担率。研究结果表明,埋管管壳应力比明管有明显的改善,可以通过控制初始缝隙、调整混凝土和围岩的性能参数等方法来调整钢岔管、混凝土和围岩的应力大小,使得联合承载结构的各部分承载能力都得到比较充分的发挥,从而减小管壳的厚度,研究结果具有一定程度的工程参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究联合承载的意义
• 1.3 月牙肋钢岔管联合承载设计进展
• 1.3.1 钢岔管的发展趋势
• 1.3.2 内加强月牙肋岔管的主要概念
• 1.3.3 内加强月牙肋钢岔管的结构特点
• 1.3.4 国外钢岔管联合承载的设计趋势
• 1.3.5 国内钢岔管联合承载的设计趋势
• 1.4 研究内容
• 第2章 月牙肋钢岔管联合承载模型试验
• 2.1 模型比尺及试验内容
• 2.2 监测断面及测点布置
• 2.3 试验加载过程
• 2.3.1 明管状态下加载试验
• 2.3.2 埋管状态下加载试验
• 2.4 钢管直管A 断面联合受力分析
• 2.4.1 A 断面管壁应力对比分析
• 2.4.2 A 断面缝隙值分析
• 2.4.3 A 断面混凝土应变分析
• 2.4.4 A 断面围岩变形分析
• 2.4.5 A 断面围岩抗力分析
• 2.5 岔管主支管相贯线D 断面联合受力分析
• 2.5.1 D 断面管壁应力对比分析
• 2.5.2 D 断面缝隙值分析
• 2.5.3 D 断面混凝土应变分析
• 2.5.4 D 断面围岩变形分析
• 2.5.5 D 断面围岩抗力分析
• 2.6 岔管肋板G 断面联合受力分析
• 2.6.1 G 断面管壁应力对比分析
• 2.7 岔管腰线I 断面联合受力分析
• 2.7.1 I 断面管壁应力对比分析
• 2.7.2 I 断面围岩抗力分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 三维有限元模型建立
• 3.1 CAD 几何模型
• 3.2 三维有限元模型
• 3.2.1 计算模型分类
• 3.2.2 模型网格划分
• 3.2.3 模型材料参数
• 3.2.4 模型计算荷载
• 3.2.5 模型计算假定
• 3.3 GAP 单元应用
• 3.3.1 GAP 单元模型
• 3.3.2 GAP 单元算例
• 3.4 有限元模型标定
• 3.5 埋管状态模型围岩计算范围的确定
• 第4章 钢岔管内水压力荷载分配
• 4.1 荷载分配的理论
• 4.2 明管工况有限元计算成果分析
• 4.3 埋管工况有限元计算成果分析
• 4.3.1 围岩分担率
• 4.3.2 荷载的传递与分配
• 4.4 考虑初始缝隙的联合承载结构分析
• 4.4.1 围岩分担率
• 4.4.2 荷载的传递与分配
• 4.5 影响联合承载荷载传递的因素
• 第5章 影响联合承载的因素
• 5.1 混凝土的弹模对内水压力荷载分配的影响
• 5.2 围岩的弹模对内水压力荷载分配的影响
• 5.3 钢岔管壁厚对内水压力荷载分配的影响
• 5.4 初始缝隙对内水压力荷载分配的影响
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果