钢衬钢筋混凝土压力管道极限承载力分析的弹性迭代法.pdf
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1、第 3 8卷第 4期 2 0 1 2 年4月 水 力 发 电 钢衬钢筋混凝土压力管道极限 承载力分析的弹性迭代法 张伟 ,付传雄 ,杨绿峰 一 ,王 健 ( 1 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验 室,广 西南宁 5 3 0 0 0 4 ; 2 广西壮族 自治 区住房和城 乡建设厅 ,广 西南宁 5 3 0 0 2 8 ) 摘要:针对钢衬钢筋混凝土压力管道, 结合弹性模量缩减法和梁系有限元法,建立了结构极限承载力分析的弹性 迭代法。弹性迭代法继承了弹性模量调整法原理简单、应用方便的优点;同时,利用梁系有限元能大大减少单元和 自由度数 在保持精度 的同时能显著提高计算效率。算例分析表明 ,
2、弹性 迭代法计算精度 良好 ,可应用于钢衬钢筋 混凝土压力管道结构的极限承载力分析中。 关键词 :钢衬钢筋混凝土压力管道 ;极限承载力 ;曲梁模型 ;弹性模量缩减 法 El a s t i c I t e r a ti v e M e t h o d f o r Li mi t An a l y s i s o f S t e e l Li n i n g Re i n f o r c e d Co n c r e t e P e n s t o c k Z h a n g We i , F u C h u a n x i o n g , Ya n g L u f e n g 2 Wa n g
3、 J i a n ( 1 K e y L a b o r a t o r y o f D i s a s t e r P r e v e n ti o n a n d S t r u c t u r a l S a f e t y o f Mi n i s t r y o f E d u c a ti o n , G u a n g x i U n i v e r s i t y , Na n n i n g 5 3 0 0 0 4 , Gu a n g x i , C h i n a ; 2 De p a r t me n t o f Ho u s i n g a n d U r b a n
4、 - r u r a l D e v e l o p me n t , G u a n g x i A u t o n o mo u s Z h u a n g R e g i o n , N a n n i n g 5 3 0 0 2 8 , G u a n g x i , C h i n a ) Ab s t r a c t : An e l a s ti c i t e r a t i v e me t h o d f o r l i m i t a n a l y s i s o f s t e e l l i n i n g r e i n f o r c e d c o n c r
5、 e t e p e n s t o c k i s p r e s e n t e d b y u s i n g t h e e l a s t i c mo d u l u s r e d u c t i o n me tho d a n d b e a m fi n i t e e l e me n t me t h o d W h i l e i n h e riti n g the me ri t s o f s i mp l i c i t y an d p r a c t i c ali t y o f t h e e l a s ti c m o d u l u s a d
6、j u s t m e n t p r o c e d u r e s , a n d u s i n g b e a m fi n i t e e l e m e n t me t h o d t o s i g n i fi c a n t l y r e d u c e t h e n u m b e rs o f e l e me n t and d e g r e e s o f fr e e d o m, t h e p r o p o s e d me t h o d c a n i mp r o v e t h e c o mp u t a t i o n a l e f fi
7、 c i e n c y wh i l e k e e p i n g t h e a c c u r a c y Nu me r i c al e x a mp l e s s h o w t h a t the me tho d C an a c h i e v e s a t i s fy i n g a c c u r a c y i n t h e l i mi t an aly s i s o f s t e e l l i n i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e p e n s t o c k Ke y W o r d s :s t
8、 e e l l i n i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e p e n s t o c k ;u l ti ma t e b e n g c a p a c i t y ;c u r v e d b e a m mo d e l ;e l a s t i c mo d u l u s r e d u c t i o n me t h o d 中圈分类号 : T V 7 3 2 _ 4 ;1 1 J 3 1 3 3 文献标识码 : A 文章编 号: 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 1 7 04 0 引言 钢
9、 衬 钢 筋 混 凝 土 压 力 管 道( S t e e l l i n i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e p e n s t o c k s 简 称 S L RC P)是 由 内壁 钢 板 衬 砌 与外 包 钢 筋 混 凝 土 组成 并 共 同承 载 的压 力 管 道 。 由于 能利 用外 包 钢筋 混凝 土 承 载 ,S L RC P具有 减 薄 钢 衬 厚度 ,降低 管 道 的加 工 、制 作 和安 装 难度 等 优 点 已在 东 江 、李 家 峡 、公 伯峡 、金安 桥 和 三峡 等 多个 大 中型 电站 中采 用 。此 外 ,S L
10、 RC P的应 用也 已 由最 初 的 坝下 游 面管 推 广至 地 面管 道 、蜗壳 、分 岔 管 、引 水 隧洞 和调 压 井 等结 构 中 ,具有 广 阔的应 用 前 景 。然 而 ,S L RC P通 常具 有 较 大 的 HD值 ,且 仍 有 进 一 步提 高 的趋 势 ,一 旦 结构 发 生 破坏 事 故将 引 起 难 以估 量 的损失 。 因此 ,对 S L RCP进 行有 效 的承 载力 安 全评 估是 十分 重要 的 ,极 限承 载力 计算 方 法 是 其 中 的关 键 问 题 之 一 。 目前 S L RC P结 构极 限承 载力 主 要 是通 过模 型 收稿 日期 :2
11、0 1 1 - 1 2 1 0 基 金项 目:国家 自然科 学基 金 资助 项 目( 5 1 1 6 8 0 0 3 ; 5 1 1 6 9 0 0 3 ; 5 0 9 0 9 0 2 1 ) ; 广西壮族自治区主席基金资助项 目( 2 O 1 0 G x N S F D1 6 9 O O 8 ) ; 广西研究生教育创新计划项 目( G XU 1 1 T 3 2 5 8 0 ) 作 者简 介 :张伟 ( 1 9 7 7 一 ) ,男 , 四川达 县人 ,教授 ,工 学博 士 ,主要从事水 电站 压力管 道的安全性和完整性 研究 W a t e r P o w e r V o 1 3 8 N o
12、 4 囤 小 J仅电 2 0 1 2年 4月 试 验和 数值 分 析方 法 获得 。模 型 试验 法 主要 基 于 平 面 模 型 的破 坏 性 试 验 开 展 , 东 江 、李 家 峡 、金 安 桥 和 二 三 峡 等水 电站 均 开展 了相关 试 验研 究 得 出 了相 应管 道 结构 典 型断 面 的极 限 承载 力 。模 型试 验 能 直 观 反映 结构 的承载 规律 ,获 得结 构极 限承 载力 ,但 所需 成 本 高 、影 响 因素多 。随着 计算 力 学 在复 杂 工 程结 构 中的推广 应 用 ,数值 分析 法 已应 用 于 S L RC P 的极 限承载 力分 析 中 。钢
13、筋 混凝 土非 线 性有 限法 应 用 最 为 常 见 。董 哲 仁 采 用 考虑 弹性 一 应 变 强 化 模 型 的平 面非 线性 有 限元法 获得 了东 江水 电站 S L RC P的 极 限 承载力 张伟 采 用三 维 非线 性有 限元 法开 展 了 多个 水 电站 S L RC P的极 限承载 力研 究 ,伍鹤 皋 、张 运 良采 用 损 伤 力 学 模 型 分 析 了 二 三 峡 水 电 站 直 埋 蜗 壳 结 构 的极 限承 载 能力 。钢 筋 混凝 土 非线 性 有 限元 法 能 良好 地 引人 材料 本 构模 型 模 拟 结 构加 载破 坏 全 过 程 ,但 原理 复 杂 、
14、参 数 敏感 性 大 、计 算 耗 时 长 。 针 对 上 述 问 题 当 前 国 内 外 研 究 者 提 出 了 一 类 适 用 于 压 力 容 器 和 管 道 极 限 承 载 力 分 析 的 新 方 法 一 弹 性 模 量 调 整法 F a n o u s采 用 R No d e法 得 到 了弯 管 结 构 的极 限承载 能 力 ;刘应 华 提 出修 正 弹性 模 量补 偿 法 并分 析 了三 通结 构 的极 限 承载 能 力 ,张 伟提 出 了 基 于 弹 性 补 偿 有 限 元 法 和 基 于 弹 性 模 量 缩 减 法 ( El a s t i c mo d u l u s r e
15、d u c t i o n me t h o d,简 称 EMRM) 的 管 道结 构 极 限承 载力 和安 全 评估 方 法 。E MRM 有 计 算 原 理 简 单 ,应 用 方 便 的 优 点 ,为 水 电 站 压 力 管 道 极 限承 载力分 析提供 了新 途径 。 本 文将 针对 S L R CP,对 比研究 结 构分 析 的 曲梁 模 型 结 合 EMRM 和 梁 系 有 限 元 法 , 研 究 S L RCP 极 限承 载力 分析 的 弹性 迭代 法 ,为准 确 、高 效地 对 该 类结 构进行 安全评 估 和设计优 化提 供算法 基础 。 1 荷载响应分析的曲梁模型 S L R
16、C P是 一 种 由钢 板 、钢 筋 以 及 混 凝 土 组 成 的 结构 形式 ,其 布 置形 式 主要 有 两类 :管 道全 悬 于 坝 面 以上 的全 背管 :管道 部分 浅 埋 于坝 体 的浅 槽 式 背 管 。钢衬钢 筋混 凝土压 力管 道 的布置形式 见 图 1 。 图 1 钢衬钢筋混凝 土压力管道的布 置形式 S L RC P截 面 内 力 精 细 分 析 表 明 ,结 构 在 近 管 底 的 一 1 3 5 。 1 3 5 。 范 同 内 轴 力 相 对 较 小 、 同 时 参 考 S L RCP弹性 中心 法 的计算 模 型 ,可将 结 构 的荷 载 响 应 分 析 模 型
17、简 化 为 图 2所 示 在 一 1 3 5 。 和 1 3 5 。 截 面 固 I 珂W a t e r e r o z 粥N o 4 图 2曲梁 几 何 模 型 定 约束 的超静 定 曲梁 。 为论证 该 模 型 的合 理性 依据 李 家 峡 水 电站 的 设 计 方案 ,建立 其 相应 的 曲梁模 型 ,采 用 梁 系有 限 元 法 求 得 内 水 压 力 下 截 面 轴 力 ,见 表 1 。 表1中 同 时列 出 了实体 单 元 和 弹性 中心 法 的计 算 结 果 。图 3 给 出了各种 计算模 型 和方法 的轴力 分布情 况 。 表 1 计算截 面轴力 MN 模 型类型 方法或布置
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