侯庄涵洞周围土体三维非线性有限元分析

发布时间：2017-05-14 03:13

  本文关键词：侯庄涵洞周围土体三维非线性有限元分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国是一个水资源总量比较丰富的国家,位列世界第六。但是人均水资源占有量仅占世界人均水资源占有量的25%。随着中国人口的增加、经济的发展和全球变暖的影响,我国的缺水状况不断加剧。为了减缓城市水资源紧缺的状况,长距离输水、引水,调水成为缺水城市获得水源补给的重要手段。涵洞工程是重要的输水结构,在水利工程、公路工程应用广泛。现在对这种结构的研究大部分只针对涵洞本身的力学特性,对于洞身与周围土体的作用力及变形等研究较少。随着修建的涵洞埋深越来越大,分析涵洞与周围土体间的作用情况愈来愈重要。侯庄分流涵洞具有高埋深的特点,存在较大的土压力。本文针对涵洞洞身与周围土体的作用情况,提出了高埋深涵洞洞身与周围土体三维非线性有限元分析研究的课题。本课题选取侯庄分流涵洞为研究对象,根据相关力学理论知识,采用大型模拟软件ANSYS建立三维有限元模型,分别选取完建时期、运行时期、检修时期三种工况进行分析研究,利用三维有限元求解,得出相应结果；进而研究了钢筋混凝土箱涵与回填土、地下土的应力应变关系,分析了土体在不同工况下的变形和沉降量,给出了涵洞最大受力位置和土体最大沉降量,为工程后期维护提供了有效的参考,同时确定了不同工况下涵洞洞身与周围土体间的作用情况以及土体的变化情况,实现了高埋深涵洞在最大受力情况下的分析,给实际工程提供了有效的参考,也为将来的类似研究提供了一定的依据。研究成果表明：1、在完建时期,涵洞主要承受土压力,在周围土体的作用下,涵洞在Y向产生的应力和位移最大；2、在运行时期,涵洞在承受土压力的同时,还承受一定的水压力,相较于完建时期,涵洞所受的拉应力略显提高,压应力有所降低,这是由于充水状态下水对洞身的浮托力所致；3、在检修时期,涵洞处于部分充水部分无水状态,检修洞室所受压力最大,洞身顶角外侧与土体交界面处拉应力有连续贯通的趋势,此种工况最为不利。但仍满足工程相关规范的要求。
【关键词】：涵洞 有限元 数值模拟 土体
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV223
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-19
• 1.1 涵洞工程概括12-15
• 1.1.1 涵洞的构造12-14
• 1.1.2 涵洞工程布置形式14-15
• 1.2 涵洞工程结构研究现状15-17
• 1.3 课题的提出17-18
• 1.4 本课题研究内容18-19
• 2 涵洞工程非线性有限元理论基础19-38
• 2.1 数值模拟方法概述19-24
• 2.1.1 有限元法的起源和特点19-20
• 2.1.2 有限元法求解20-22
• 2.1.3 ANSYS软件求解22-24
• 2.2 钢筋混凝土有限元法的发展24-25
• 2.3 钢筋混凝土有限元模型25-27
• 2.3.1 分离式模型25
• 2.3.2 组合式模型25-26
• 2.3.3 整体式模型26-27
• 2.4 非线性有限元分析27
• 2.5 钢筋混凝土非线性有限元分析27-35
• 2.5.1 混凝土本构模型28-33
• 2.5.2 钢筋的本构模型33-35
• 2.6 钢筋和混凝土的本构关系35-36
• 2.7 土体的非线性分析36-37
• 2.8 本章小结37-38
• 3 侯庄分流涵洞有限元模型的建立38-58
• 3.1 工程概括38-43
• 3.1.1 概述38
• 3.1.2 水文、地质条件38-40
• 3.1.3 工程结构布置40-43
• 3.2 有限元模型的建立43-46
• 3.2.1 模型尺寸选取43-44
• 3.2.2 模型单元选取44-46
• 3.3 材料参数选取46-48
• 3.3.1 混凝土材料参数46-47
• 3.3.2 钢筋材料参数47
• 3.3.3 土体材料参数47-48
• 3.4 模型网格划分和边界条件48-50
• 3.4.1 网格划分48-49
• 3.4.2 边界条件49-50
• 3.5 工况的选取50-54
• 3.5.1 工况的具体选择50-52
• 3.5.2 涵洞荷载计算52-54
• 3.6 模型的非线性加载和求解分析选择54-56
• 3.7 模型验证56-58
• 3.7.1 孔径尺寸56-57
• 3.7.2 地基承载力核算57-58
• 4 涵洞模型工况分析58-71
• 4.1 完建时期涵洞有限元分析58-62
• 4.1.1 涵洞计算结果分析58-60
• 4.1.2 土体计算结果分析60-62
• 4.2 运行时期涵洞有限元分析62-66
• 4.2.1 涵洞计算结果分析62-64
• 4.2.2 土体计算结果分析64-66
• 4.3 检修时期涵洞有限元分析66-69
• 4.3.1 涵洞计算结果分析66-68
• 4.3.2 土体计算结果分析68-69
• 4.4 本章小结69-71
• 5 结论与展望71-73
• 5.1 结论71-72
• 5.2 展望72-73
• 参考文献73-75
• 致谢75-76
• 个人简历76
• 发表的学术论文76

【参考文献】

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