大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析论文

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1、大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析论文摘要：本文根据岩体和混凝土衬砌联合受力特点，系统地提出了大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析方法。针对岔管空间几何特征，结合三维有限元的原理，提出了采用程序分析判断，自动生成各种不同类型的三维有限元地下钢筋混凝土岔管结构网格的计算方法。该方法只须输入几个关键的控制参数，便能自动剖分所须岔管网格，为大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析提供一种快速网格生成方法。根据岩体损伤开裂和弹塑性破坏特征，从岩体开挖应力扰动的塑性耗散能扩散理论和混凝土衬砌结构开裂损伤原理.freel/kEm(3)式中：σcm为现场直剪试验推

2、测出的岩体单轴抗压强度，Em为现场岩体载重试验测得的岩体弹模，k是根据试验和设计要求所取的安全系数，εc为岩体的临界应变值4。岩体的剪切破坏区是指洞室开挖后围岩应力状态达到临界应力的屈服岩体区域。通常可根据有限单元计算的应力状态按所选择的屈服函数F进行判断。当单元的屈服函数F({σ})0时，则认为该单元岩体已产生屈服破坏。　　大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析论文摘要：本文根据岩体和混凝土衬砌联合受力特点，系统地提出了大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析方法。针对岔管空间几何特征，结合三维有限元的原理，提出了采用程序分析判断，自动生成各种不同类

3、型的三维有限元地下钢筋混凝土岔管结构网格的计算方法。该方法只须输入几个关键的控制参数，便能自动剖分所须岔管网格，为大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析提供一种快速网格生成方法。根据岩体损伤开裂和弹塑性破坏特征，从岩体开挖应力扰动的塑性耗散能扩散理论和混凝土衬砌结构开裂损伤原理.freel/kEm(3)式中：σcm为现场直剪试验推测出的岩体单轴抗压强度，Em为现场岩体载重试验测得的岩体弹模，k是根据试验和设计要求所取的安全系数，εc为岩体的临界应变值4。岩体的剪切破坏区是指洞室开挖后围岩应力状态达到临界应力的屈服岩体区域。通常可根据有限单元计算的

4、应力状态按所选择的屈服函数F进行判断。当单元的屈服函数F({σ})0时，则认为该单元岩体已产生屈服破坏。岩体的压裂破坏区是指洞室开挖后，围岩的最大压应力值超过岩体抗压强度的区域。在有限元计算中，当单元的最大压应力σ3σc(σc为岩体的容许抗压强度)时，则将该单元计入压裂破坏。在有限元计算迭代过程中，每迭代一次首先根据应力状态计算单元的屈服函数值F，对所有F0的单元计入塑性破坏的标识，并算出单元体积vpi。然后根据单元累积的应变状态计算单元的第一主应变ε1,.freel表示对所有开裂衬砌单元求和。D越大，衬砌单元开裂程度越大，最终累计的开裂应变

5、能的改变量ΔE也就越大，说明衬砌结构破坏越大。损伤系数D计算、混凝土衬砌的钢筋计算参见文献6］。3工程实例分析本文结合桐柏抽水蓄能地下钢筋混凝土岔管结构型式，对地下岔管结构型式进行了三维有限元数值模拟优化分析。该电站总装机1200M.地下岔管的主管直径为9.0m，两支管的直径为5.5m，衬砌厚度0.6m.岔管处的岩体为较完整的中细粒花岗岩，岩体的物理力学参数为：弹模E=17GPa，泊松比μ=0.25，粘结力C=1.5MPa，摩擦系数f=1.2，抗拉强度Re=1.5MPa，抗压强度Rc=130MPa，容重r=27kN/m3.根据实测地应力值和山

6、体地形特征，采用三维有限元进行反演分析计算，得出地下岔管处岩体最大的初始地应力值为11～12MPa.表1岔管结构参数(单位：m)工对称岔管参数卜型岔管参数况主管直径支管直径衬砌厚度岔角/°锥角/°修圆系数作用水头主管直径支管直径衬砌厚度岔角/°锥角/°修圆系数作用水头19.05.50.640141.03759.05.50.64061.037529.05.50.653141.03759.05.50.65381.037539.05.50.660141.03759.05.50.660101.037549.05.50.653141.23759.05.

7、50.65381.45375注：修圆系数大于1表示修圆程度。表2各种岔管结构不同计算工况下围岩和衬砌破坏指标工况岔管洞室开挖围岩破坏指标充水衬砌弹性计算充水衬砌非线性计算衬砌破坏指标岔方是塑性体积/m3开裂体积/m3总破坏体积量/m3塑性耗散能/103NT岔角最大应力/MPa岔角位移/cm衬砌形变能/103NT岔角最大应力/MPa岔角位移/cm塑性体积/m3开裂体积/m3压裂体积/m3总破坏体积量/m3塑性耗散能/103NT岔角位移/cm管否型修式案圆1否927186111322-0.560.391018.80.092729620123432

8、0.13对2否846172101821-0.670.40998.350.0928090301183280.13称3否82216098220-0.670.40968.