有压引水隧洞温度场和应力场三维有限元分析
发布时间：2022-01-02 19:22
在水工隧洞设计中,经常遇到有压隧洞在温度荷载和均匀内水压力联合作用下的应力计算问题。尤其在近些年发展起来的抽水蓄能电站和引水式电站,其洞径往往较大、地质条件相对复杂、深埋较深,因此温度应力计算问题变的更为突出。虽然国内外对大体积混凝土工程的温度应力研究较为重视,理论也日渐成熟,但是对于隧洞混凝土衬砌这种薄壁形结构的温度应力研究较少,也没有得到足够的重视。并且目前规范中也没有给出具体温度应力的计算方法,然而在实际工程中却发现许多混凝土衬砌,出现了由于温度应力而引起的裂缝。特别是对于有压引水隧洞,在温度应力与内水压力联合作用下会引起应力叠加,会使得隧洞衬砌的总应力水平提高,从而影响隧洞的安全稳定性,因此对于有压引水隧洞温度应力的计算需给予重视。本文主要采用有限元法针对工程地质条件复杂、围岩等级较低、隧洞直径较大的有压引水隧洞进行应力分析。并详细分析了隧洞在施工期和正常运行期,由温度场所产生的温度应力对衬砌应力极值的影响。具体做法为:首先对隧洞的工程资料进行分析,确定温度和应力的初始条件及边界条件;然后通过ANSYS有限元分析软件,计算出衬砌在施工期考虑混凝土水化热和洞内气温影响条件下的应力...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
温度场与应力场模块关系图
由于本例中需要设计的计算有变形分析、应力分析和热分析，在混凝土衬砌瞬态热分析中，衬砌内部的温度梯度变化不大，对内部网单元要求不是很大，因此衬砌网格划分时候不要考虑内部网格尺寸的加密。综合考虑各分析项后，对隧洞整体网格模型进行设置，全局网格控制的结构分析项设置为物理优先。由于围岩上面的岩层和土层，对隧洞只带来的自重所产生应力，且不参与瞬态热分析，因此划分这两组模型的网格时采用六面体网格划分，网格尺寸设置为默认值。而围岩和衬砌的模型需要进行应力分析和热分析，需要对模型进行详细的网格设置。因此，需要分别添加围岩和衬砌的体网格尺寸和划分方法。围岩网格采用四面体网格划分法，围岩的网格最小尺寸为 1m。由于围岩与衬砌接触面会发生热交换和应变，因此需要加密围岩与衬砌接触面上的网格。具体通过添加围岩与衬砌接触面设置膨胀层来完成，在衬砌外表面设置的膨胀层为 6 层，增长率为 1.3倍。衬砌的网格采用六面体网格法划分，衬砌的最小尺寸设置为 0.1m。为衬砌与水体（气体）接触面添加膨胀层，设置值为 3 层，增长率为 1.1 倍。水体（气体）采用自动化网格划分，隧洞整体有限元模型如图 3 (a)所示，衬砌有限元模型如图 3 (b)所示。
全日制工程硕士学位论文第 5 章 有限元计算成果分析5.1 位移分析5.1.1 施工期位移分析施工期衬砌水平位移分布云图如图 4(a)和图 5(a)所示，方向指向隧洞中心为负反之为正。可以看出水平位移最大值发生在衬砌左右两侧，工况 1 施工期忽略温度应力时的最大值为 1.0611mm，工况 2 考虑温度应力最大值为 3.6809mm，最大值相差为 2.6198mm。垂直位移分布云图见图 4(b)和图 5(b)，最大值发生在衬砌顶部位置，工况 1 忽略温度应力最大值为 2.7085mm，工况 2 考虑温度应力最大值为 5.8141mm，最大值相差为 3.1056mm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]有压引水隧洞温度应力的三维有限元分析[J]. 丁少超,赵廷红,杨淇. 水利与建筑工程学报. 2016(06)
[2]基于变量修正分布的混凝土结构长期变形预测[J]. 张正阳,赵人达,徐腾飞. 计算力学学报. 2016(03)
[3]渗流-应力耦合下深埋引水隧洞变形稳定性分析[J]. 王克忠,唐雨蔷,李伟平,孔令民,秦绍坤. 浙江工业大学学报. 2016(02)
[4]基于高地温引水隧洞的温度场数值模拟研究[J]. 宿辉,马超豪,马飞. 水利水电技术. 2016(04)
[5]3D Finite Element Analysis of TBM Water Diversion Tunnel Segment Coupled with Seepage Field[J]. 钟登华,胡能明,程正飞,吕鹏,佟大威. Transactions of Tianjin University. 2016(01)
[6]复杂隧洞衬砌结构的三维有限元分析及结构配筋[J]. 董正中,肖明,杨莹. 中国农村水利水电. 2016(01)
[7]高温浇注环境下钢桥面温度场及温度变形效应分析[J]. 钱振东,刘阳,刘龑. 东南大学学报(自然科学版). 2014(05)
[8]基于ANSYS的隧洞衬砌有限元分析配筋法研究[J]. 邵潮鑫,沈振中. 南水北调与水利科技. 2014(04)
[9]组合高墩大跨连续刚构桥箱梁日照温度场观测与效应分析[J]. 肖新辉,刘扬,郭鑫,鲁乃唯. 铁道科学与工程学报. 2014(01)
[10]大型泵站施工期温度场与应力场数值仿真分析[J]. 张燎军,闻锐,陈伟,白莉萍. 水电能源科学. 2013(11)
博士论文
[1]圆形水工压力隧洞衬砌变形特性与限裂设计研究[D]. 沈威.大连理工大学 2012
硕士论文
[1]齐热哈塔尔水电站深埋引水隧洞衬砌结构有限元分析[D]. 李宽.河北工程大学 2014
[2]复杂地质条件下隧道破坏过程研究[D]. 李航.沈阳建筑大学 2011
[3]高水头引水隧洞衬砌结构非线性有限元分析[D]. 王小军.西安理工大学 2010
[4]温变条件下混凝土温度应力变化规律研究[D]. 刘红洋.哈尔滨工业大学 2009
[5]圆形压力隧洞弹塑性应力和位移分析[D]. 张常光.长安大学 2008
[6]瀑布沟水电站泄洪洞出口段开挖变形及稳定性非线性有限元分析[D]. 滕丽.四川大学 2003
本文编号：3564745
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
温度场与应力场模块关系图
由于本例中需要设计的计算有变形分析、应力分析和热分析，在混凝土衬砌瞬态热分析中，衬砌内部的温度梯度变化不大，对内部网单元要求不是很大，因此衬砌网格划分时候不要考虑内部网格尺寸的加密。综合考虑各分析项后，对隧洞整体网格模型进行设置，全局网格控制的结构分析项设置为物理优先。由于围岩上面的岩层和土层，对隧洞只带来的自重所产生应力，且不参与瞬态热分析，因此划分这两组模型的网格时采用六面体网格划分，网格尺寸设置为默认值。而围岩和衬砌的模型需要进行应力分析和热分析，需要对模型进行详细的网格设置。因此，需要分别添加围岩和衬砌的体网格尺寸和划分方法。围岩网格采用四面体网格划分法，围岩的网格最小尺寸为 1m。由于围岩与衬砌接触面会发生热交换和应变，因此需要加密围岩与衬砌接触面上的网格。具体通过添加围岩与衬砌接触面设置膨胀层来完成，在衬砌外表面设置的膨胀层为 6 层，增长率为 1.3倍。衬砌的网格采用六面体网格法划分，衬砌的最小尺寸设置为 0.1m。为衬砌与水体（气体）接触面添加膨胀层，设置值为 3 层，增长率为 1.1 倍。水体（气体）采用自动化网格划分，隧洞整体有限元模型如图 3 (a)所示，衬砌有限元模型如图 3 (b)所示。
全日制工程硕士学位论文第 5 章 有限元计算成果分析5.1 位移分析5.1.1 施工期位移分析施工期衬砌水平位移分布云图如图 4(a)和图 5(a)所示，方向指向隧洞中心为负反之为正。可以看出水平位移最大值发生在衬砌左右两侧，工况 1 施工期忽略温度应力时的最大值为 1.0611mm，工况 2 考虑温度应力最大值为 3.6809mm，最大值相差为 2.6198mm。垂直位移分布云图见图 4(b)和图 5(b)，最大值发生在衬砌顶部位置，工况 1 忽略温度应力最大值为 2.7085mm，工况 2 考虑温度应力最大值为 5.8141mm，最大值相差为 3.1056mm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]有压引水隧洞温度应力的三维有限元分析[J]. 丁少超,赵廷红,杨淇. 水利与建筑工程学报. 2016(06)
[2]基于变量修正分布的混凝土结构长期变形预测[J]. 张正阳,赵人达,徐腾飞. 计算力学学报. 2016(03)
[3]渗流-应力耦合下深埋引水隧洞变形稳定性分析[J]. 王克忠,唐雨蔷,李伟平,孔令民,秦绍坤. 浙江工业大学学报. 2016(02)
[4]基于高地温引水隧洞的温度场数值模拟研究[J]. 宿辉,马超豪,马飞. 水利水电技术. 2016(04)
[5]3D Finite Element Analysis of TBM Water Diversion Tunnel Segment Coupled with Seepage Field[J]. 钟登华,胡能明,程正飞,吕鹏,佟大威. Transactions of Tianjin University. 2016(01)
[6]复杂隧洞衬砌结构的三维有限元分析及结构配筋[J]. 董正中,肖明,杨莹. 中国农村水利水电. 2016(01)
[7]高温浇注环境下钢桥面温度场及温度变形效应分析[J]. 钱振东,刘阳,刘龑. 东南大学学报(自然科学版). 2014(05)
[8]基于ANSYS的隧洞衬砌有限元分析配筋法研究[J]. 邵潮鑫,沈振中. 南水北调与水利科技. 2014(04)
[9]组合高墩大跨连续刚构桥箱梁日照温度场观测与效应分析[J]. 肖新辉,刘扬,郭鑫,鲁乃唯. 铁道科学与工程学报. 2014(01)
[10]大型泵站施工期温度场与应力场数值仿真分析[J]. 张燎军,闻锐,陈伟,白莉萍. 水电能源科学. 2013(11)
博士论文
[1]圆形水工压力隧洞衬砌变形特性与限裂设计研究[D]. 沈威.大连理工大学 2012
硕士论文
[1]齐热哈塔尔水电站深埋引水隧洞衬砌结构有限元分析[D]. 李宽.河北工程大学 2014
[2]复杂地质条件下隧道破坏过程研究[D]. 李航.沈阳建筑大学 2011
[3]高水头引水隧洞衬砌结构非线性有限元分析[D]. 王小军.西安理工大学 2010
[4]温变条件下混凝土温度应力变化规律研究[D]. 刘红洋.哈尔滨工业大学 2009
[5]圆形压力隧洞弹塑性应力和位移分析[D]. 张常光.长安大学 2008
[6]瀑布沟水电站泄洪洞出口段开挖变形及稳定性非线性有限元分析[D]. 滕丽.四川大学 2003
本文编号：3564745
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