输水隧洞预应力混凝土衬砌应力正交敏感性分析.pdf
《输水隧洞预应力混凝土衬砌应力正交敏感性分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《输水隧洞预应力混凝土衬砌应力正交敏感性分析.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 1 2卷第 5期 2 0 1 4年 1 O月 南水北调与水 利科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e& Te c h n o l o g y V0 l _ 1 2 No 5 Oc t 201 4 D OI : 1 0 1 3 4 7 6 1 c n k i n s b d q k 2 0 1 4 0 5 0 0 1 输水 隧洞预应 力混凝土衬砌 应力正交敏感性分 析 秦敢 , 曹生荣, 殷娟 , 杨 帆 ( 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室, 武汉
2、 4 3 0 0 7 2 ) 摘要: 为了分析输水隧洞预应力混凝土衬砌结构应力对相关因素的敏感性, 以穿黄隧洞工程为例, 选取张拉控制应 力 O m n 、 预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数 钢绞线孔道局部偏差摩擦系数 足以及锚具变形和钢筋内缩值n等 4个 因素作为敏感性参数, 通过正交试验设计法确定计算方案, 采用三维有限元方法计算了各因素不同取值时管壁混凝 土的应力状态。利用极差分析方法分析了管壁混凝土环向应力和轴向应力对上述 4个因素的敏感性 。结果表明, 在钢绞线张拉完成、 充水达到设计水压的两种工况下, 管壁混凝土环向应力和轴向应力对这 4个因素的敏感性由高 到低依次为 。 。 、 a
3、、 k, 特别是 和O m n 对管壁混凝土环向应力有显著影响, 在数值计算中需要评估或者通过试验 验证这 2个因素取值的准确性, 以保证参数取值反映实际情况以及数值计算结果的可靠性 。 关键词: 输水隧洞; 预应力衬砌; 环向应力 ; 轴向应力 ; 正交试验; 敏感性分析 中图分类号: T V3 3 2 文献标志码: A 文章编号: 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 0 1 0 5 Or t ho g o na i s e ns i t i v i t y a na l y s i s of p r e s t r e s s e d c o nc r
4、e t e l i ni n g s t r e s s o f wa t e r c o nv e y a n c e t u nn e l QI N Ga n , CA0 S h e n g - r o n g, YI N J u a n , YANG Fa n ( S ta t e Ke y L a b o r a t o r y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d Hy d r o we r E n g i n e e r i n g S c i e n c e , Wu h a n U n i v e r s i t y, Wu h a n 4
5、3 0 0 7 2 , C h i n a ) Ab s t r a c t : To e v a l u a t e t h e s e n s i t i v i t y o f t h e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e l i n i n g s t r e s s t o t h e r e l a t e d f a c t o r s , t h e s t r e t c h i n g c o n t r o l l i n g s t r e s s c o n, f r i c t io n c o e ffi c i e n
6、t b e t we e n p r e s t r e s s e d s t e e l a n d c h a n n e l wa l 1 , 1 o c a l d e v i a t i o n f r i c t i o n c o e ffi c i e n t o f s t r a n d c h a n n e 1 k, a n d a n c h o r a g e d e f o r ma t i o n a n d s t e e l s h r i n k i n g v a l u e a we r e s e l e c t e d a s t h e s e
7、 n s i t i v i t y f a c t o r s i n t h i s p a p e r b a s e d o n t h e b a c k g r o u n d o f Y e l l o w R i v e r c r o s s i n g t u n n e l p r o j e c t T h e o r t h o g o n a l e x p e r i me n t d e s i g n me t h o d w a s u s e d t O d e t e r mi n e t h e c a l c u l a t i o n s c h
8、e me。 a n d t h e s t r e s s s t a t e o f wa l l c o n c r e t e wa s c a l c u l a t e d u s i n g t h e t h r e e - d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t me t h o d wi t h d i f f e r e n t v a l u e s a s s i g n i n g t o t h e f a c t o r s Th e s e n s i t i v i t i e s o f h o o p s
9、 t r e s s a n d a x i a l s t r e s s o f t h e wa l l c o n c r e t e t o t h e f o u r a b o v e f a c t o r s we r e a n a l y z e d wi t h t h e r a n g e a n a l y s i s me t h o d Th e o r t h o g o n a l e x p e r i me n t r e s u l t s s h o we d t h a t t h e ma g n i t u d e o f s e n s i
10、 t i v i t i e s o f h o o p s t r e s s a n d a x i a l s t r e s s o f t h e wa l l c o n c r e t e t O t h e f o u r f a c t o r s u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f c o mp l e t e d s t r a n d t e n s i o n a n d wa t e r f i l l i n g r e a c h i n g d e s i g n wa t e r p r e s s u r e i
11、 s i n t h e o r d e r o f , O c o , 口, a n d , a n d e s p e c i a l l y a n d O c o h a v e a s i g n i f i c a n t i mp a c t o n t h e h o o p s t r e s s Th e r e f o r e , t he v a l u e a c c u r a c y o f t h e a b o v e t wo f a c t o r s mu s t b e e v a l u a t e d o r v a l i d a t e d b
12、 y t h e e x p e r i me n t s t o e n s u r e t h a t t h e p a r a me t e r v a l u e s c a n r e f l e c t t h e r e a l s i t u a t i o n a n d t h e r e s u l t s o f n u me r i c a l c a l c u l a t i o n a r e r e l i a b l e Ke y wo r d s wa t e r c o n v e y a n c e t u n n e l ; p r e s t r
13、 e s s e d l i n i n g; h o o p s t r e s s ; a x i a l s t r e s s ; o r t h o g o n a l e x p e r ime n t ; s e n s i t i v i t y a n a l y s i s 预应力衬砌是通过张拉预应力锚索施加预压应力来抵 消隧洞结构承担 内水压力所产生的拉应力, 使衬砌成为抗裂 结构, 满足防渗与承载的要求。近年来, 随着预应力技术的 发展, 隧洞预应力衬砌在水利水电工程、 输水工程 中得到了 日益广泛 的应用 。 针对这种预应力衬砌的结构形式, 应用数值模拟的方法 对混凝
14、土衬砌结构进行计算分析已经相当普遍_ l 。 。数值模 拟结果的准确程度与计算过程中采用的数学模型和计算参 数的取值密切相关。在数学模型已经确定的情况下, 计算参 数取值的合理与否对计算结果有很大影响。但在工程实践 中, 影响预应力混凝土衬砌强度 的因素来源于多个方面, 包 括材料性 能 、 施工条件和荷载条件 等。这些因素有 的是确定 的, 但大部分具有随机性、 模糊性、 可变性等不确定特点, 这 就给计算参数的合理取值带来 了很大的问题 。因此, 有必要 收稿 日期 : 2 0 1 3 一 l 1 一 O 8 修 回 日期 : 2 0 1 4 0 7 2 3 网络出版时间 : 2 0 1
15、4 0 8 2 7 网络 出版地址 : h t t p : www c n k i n e t k c ms d o i 1 0 1 3 4 7 6 j e n k i n s b d q k 2 0 1 4 0 5 0 0 1 h t ml 基金项目: 国家 自 然科学基金( 5 1 0 7 9 1 0 7 ) ; 中央高校基本科研业务费专项资金( 5 0 8 2 0 2 2 ) 作者 简介: 秦敢 ( 1 9 8 9 一 ) , 男 , 湖北武汉人 , 主要从事水工结构研究 。E - ma i l : g q i n wh u e d u 。 c n 通讯作者 : 曹生荣 ( 1 9 7
16、6 一 ) , 男 , 浙江金华人 , 高级工程师 , 博士 , 主要从事水利水电工程施工技术研究。E - ma i l : s h r c a o wh u e d u c n 验 研 爽 1 第 1 2卷 总第 7 4期 南水北调与水利科技 2 0 1 4年第 5期 对影响预应力混凝土衬砌强度的各个影响因素进行敏感性 分析, 找出敏感因素, 并对敏感因素取值的准确性加以评估, 从而保证数值分析结果的可靠性。 目前, 敏感性分析的普遍方法是单 因素分析法 , 但是该 方法是建立在其他因素不变的条件下的 4 , 不能明确指示某 个因素的变动对稳定性 的影响程度 , 因而具有很大 的局 限性 。
17、 正交试验设计是利用数理统计原理处理多因素试验的 科学方法, 在岩土和边坡工程中得到了广泛的应用_ 5 。它 能够通过代表性很强的少数次试验, 揭示各个因素对试验指 标的影响程度, 确定出因素的主次顺序, 找 出最优参 数组 合l_ 7 。为此, 本文以穿黄工程为背景, 采用三维有限元方 法, 选取主要影响因素作为敏感性参数, 采用正交试验设计 的分析方法研究预应力 混凝 土衬 砌 的环 向应 力和轴 向应 力 对上述参数的敏感性, 进而区分对计算结果影响较大的因 素, 以期为穿黄隧洞及其类似工程的设计与数值分析提供参 考依据 。 l 有效预应力的计算与加载 1 1 预 应 力损 失的计 算
18、对于环形预应力混凝土结构, 预应力损失采用分项计算 的方法。考虑的因素主要有: 锚具变形和钢筋内缩引起的预 应力损失 、 钢绞线与孔道摩擦引起的预应力损失 、 预应 力钢绞线应力松弛引起的预应力损失 以及混凝土收缩徐 变引起的预应力损失 。主要计算公式如式( 1 ) 一式( 6 ) 所 示 。 ( I ) 锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失。 一 卉 _ 一 案 当 o 4 时, l一 4 - k r c) 1 一P ( 2 ) 当 时, l 1 一O ( 3 ) 式中: 为钢绞线张拉控制应力 , 设计取值为 1 4 8 8 MP a ; 为钢绞线与孔道间的摩阻系数, 设计取值为 0 2 5
19、; k为孔道 局部偏差摩擦系数 , 设计取值为 0 0 0 1 5 ; n为锚具变形和钢 筋内缩值 , 设计取值为 5 mr n ; 为预应力钢筋的弹性模量 , 设计取值为 1 9 5 G P a ; 为圆弧形曲线预应力钢筋的曲率半 径; 为从张拉端至计算截面曲线孔道 的切线夹角( 以弧 度计 ) 。 ( 2 ) 孔道摩擦引起 的预应力损失 。 l 2 一 c o ( 1 - e 一 “ r 十 ) ( 4 ) 式中: 0 为从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角, 以 弧度计。 ( 3 ) 预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失。 一o 2 f 一o 5 7 5 1 0 co ( 5 ) J
20、p t k , 式中: k 为钢绞线抗拉强度设计值, 取 1 8 6 0 MP a 。 ( 4 ) 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失。 混凝土收缩和徐变变形均使构件缩短 , 导致预应力钢筋 中预拉应力降低, 从而会产生预应力损失。 2 避 试 |硷 碍 。 竞 3 5 + 2 8 0 , - 一 ( 6 ) 式中: 为预应力钢筋在各 自合力点处的混凝土法向压应 力 ; 0 为预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率 ; 为施加预 应力时的混凝土立方体抗压强度。 预应力钢筋的有效预应力为 一 -0 1 1 -0 -1 2 -0 -1 3 -0 1 4 ( 7 ) 利用上述公式 , 对南水北调中线穿黄隧洞
21、工程在设计参 数下各项预应力损失进行了计算 , 各项预应力损失计算结果 见 图 1 , 有效预应力 的沿程分 布情 况见 图 2 。从 计算 结果 可 以看出, 对于有黏结体系而言, 孔道摩擦引起的预应力损失 占总预应力损失的很大一部分 ; 预应力钢筋有效预应力从张 拉端到锚固段呈对称分布, 在锚具槽相对位置处 , 有效预应 力达到最小 ; 有效预应力沿程最大值为 1 0 7 5 8 MP a , 小于 0 。 7 5 f p , 满足其强度要求。 图 1 钢绞线预应力损失 Fi g 1 Pr e s t r e s s l o s s e s o f s t e e l s t r a n
22、d 图 2 有效预应 力沿程分布 Fi g 2 Di s t r i b ut i o n o f e f f e c t i v e p r e s t r e s s a l o n g t h e s t e e l s t r a n d 1 2 有效预应力的加载 本文采用 ANS Y S软件对钢绞线和钢筋混凝土分别单 独进行建模 。利用公式( 1 ) 一式 ( 6 ) 计算出有效预应力荷载 后, 将有效预应力荷载转化为温度荷载。由于有效预应力沿 程是不断变化的 , 预应力筋按 5 。 圆心角平 均分成 7 2段 , 每一 段 内取温度荷载 的平均值 施加 在钢 绞线上 。钢绞线 与混
23、凝 土的相互作用关系可以通过耦合 自由度来实现。 2 正 交设计 2 1 极差计算 本文采用极差分析方法对正交计算数据进行分析。设 A, B, 表示不同的因素; r为各因素水平数; A 表示因素 A 的第 i 水平 ( i 一1 , 2 , , r ) ; X 表示因素 的第 i 水平的值 ( 一1 , 2 , , r ; j A, B, ) 。在 X 下进行试验得到因素 j 第 i 水平的试验结果指标 , 在 X 下做了 次试验得到 咖咖蛐瑚 伽珊瑚 。 秦 敢等 输水隧洞预应力混凝土衬砌应力正交敏感性分析 个试验结果, 分别为 ( 是 =1 , 2 , , ” ) 。则计算参数如下 : ,
24、一 ( 7 ) 竹 式中: N0 为因素 在 i 水平下的统计参数; 为因素 在 i 水 平下的试验次数。 评价显著性的参数为极差 RJ , 其计算公式如下 : R ms x 1 , , 2 一, ) 一mi n , , 一, ( 8 ) 极差最大的因素也就是最主要的因素, 极差较小的因素 为较次要的因素, 依此类推。 2 2 影响 因素的选取 从锚索预应力损失的计算公式( 1 ) 式( 6 ) 可以看出, 预 应力损失主要和O m 、 、 k 、 a等几个因素相关。而在实际工程 中, 多种因素都将影响上述系数的大小, 使得上述系数的实际 值与设计取值产生较大的差异, 如: 预埋孔道的平顺度、
25、 接头 的顺畅光滑度、 施工过程中管道的挤压变形、 混凝土浇筑过程 中的漏浆等都会影响预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数和钢绞 线孔道局部偏差摩擦系数的大小; 在预应力筋张拉过程中, 存 在张拉不至 U 位或是过度张拉的现象也会引起张拉控制应力产 生变化; 不同槽口的锚具变形和钢筋内缩值也不尽相同。 因此 , 本文选取在预应力张拉施工过程 中变异性较大的 d 。 。 、 、 k 、 a等 4个因素作为敏感性参数进行敏感性分析。 2 3 参数水平的选择 穿黄工程采用预埋金属波纹管的施工方案, 预应力张拉 吨位 为 2 5 0 0 k N。结合 穿黄 工程 的实际情 况并 结合 相关文 献和规范 o ,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 输水 隧洞 预应力 混凝土 衬砌 应力 正交 敏感性 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【pin****uju】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【pin****uju】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。