水利工程論文-大型地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析.doc

水利工程論文-大型地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析摘要：本文根據(jù)巖體和混凝土襯砌聯(lián)合受力特點(diǎn)，系統(tǒng)地提出了大型地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析方法。針對(duì)岔管空間幾何特征，結(jié)合三維有限元的原理，提出了采用程序分析判斷，自動(dòng)生成各種不同類型的三維有限元地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的計(jì)算方法。該方法只須輸入幾個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)，便能自動(dòng)剖分所須岔管網(wǎng)格，為大型地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供一種快速網(wǎng)格生成方法。根據(jù)巖體損傷開(kāi)裂和彈塑性破壞特征，從巖體開(kāi)挖應(yīng)力擾動(dòng)的塑性耗散能擴(kuò)散理論和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂損傷原理，提出了大型地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化的評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)工程實(shí)例分析，證明該方法能綜合反應(yīng)地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)選擇以及岔管所處的地質(zhì)環(huán)境和條件的影響，為優(yōu)化地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)合理型式提供了一種有效的分析方法。關(guān)鍵詞：地下岔管三維有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)是與圍巖聯(lián)合承載受力結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分析其襯砌型式，已不能充分考慮圍巖和襯砌聯(lián)合工作特性1。探討大PD值(P表示壓力管道承受的水壓力，D表示壓力管道的直徑)地下鋼筋混凝土岔管襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖聯(lián)合受力的優(yōu)化分析方法，對(duì)合理選擇地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)形式，提高岔管襯砌設(shè)計(jì)水平，縮短設(shè)計(jì)周期，加快施工進(jìn)度，節(jié)省工程投資，簡(jiǎn)化施工工藝，具有重要經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。本文根據(jù)巖體彈塑性破壞特征，采用巖體塑性耗散能評(píng)估地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)開(kāi)挖的合理型式；根據(jù)混凝土損傷開(kāi)裂破壞特征，采用損傷應(yīng)變能評(píng)估地下鋼筋混凝土岔管襯砌受力的優(yōu)化型式；根據(jù)三維有限元的基本原理和空間幾何特征，采用交互式圖形顯示技術(shù)，對(duì)各種不同類型的地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)的三維有限元網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)生成，為大PD值地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供一種快速和有效評(píng)估計(jì)算方法。1地下岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成方法地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的多重介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)，采用有限元數(shù)值方法進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，首先須對(duì)地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化。復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的三維有限元網(wǎng)格離散剖分工作是一項(xiàng)繁雜費(fèi)時(shí)的工作，而且數(shù)據(jù)輸入時(shí)容易出現(xiàn)人為差錯(cuò)。雖然國(guó)內(nèi)有一些著名軟件如ViziCAD，AutoCAD具有較好的交互式繪圖功能，但是這些軟件往往需要有限元使用者有一定的建模技巧，同樣須花相當(dāng)多的時(shí)間。當(dāng)進(jìn)行岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析時(shí)，每分析一個(gè)方案，都必須重新建模，對(duì)修改結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行重新離散和重新組織數(shù)據(jù)，所以對(duì)優(yōu)化參數(shù)的選擇和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的判斷十分不便2。因此編制一個(gè)適應(yīng)于各種不同類型的地下鋼筋混凝土岔管有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成程序，對(duì)岔管進(jìn)行優(yōu)化分析是十分重要的。地下岔管鋼筋混凝土岔管，襯砌與圍巖共同承載，因此網(wǎng)格剖分應(yīng)包括襯砌和圍巖。為了適用于各種地下岔管襯砌與圍巖聯(lián)合承載的三維有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成，本文利用映射法原理編制岔管結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的自動(dòng)生成程序。只要用戶給出結(jié)構(gòu)輪廓的某些特征值，程序根據(jù)這些特征值，調(diào)用相關(guān)算法，即可進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)生成，不再需要用戶計(jì)算單元信息(包括各種約束信息、錨桿信息、受載面信息).因此大大減小了前處理工作量，節(jié)省了時(shí)間，降低了出錯(cuò)率。使得地下岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析計(jì)算變得簡(jiǎn)捷而快速。程序生成的有限元數(shù)據(jù)可以通過(guò)圖形顯示程序顯示出來(lái)，并可通過(guò)人機(jī)交互交式，對(duì)生成的網(wǎng)格進(jìn)行修改、添加、刪除，保證有限元分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。地下鋼筋混凝土岔管有限元網(wǎng)格自動(dòng)剖分程序主要分3步進(jìn)行。(1)根據(jù)鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)的幾何特征和有限單元信息規(guī)定，首先對(duì)規(guī)則岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。如圖1(a)對(duì)稱岔管，只需輸入主、支管直徑D1，D2；襯砌厚度d1,d2；主管和總管長(zhǎng)度S1和S；岔管的半岔角、半錐角和兩支管的間距L，則可分別建立主管和支管的輪廓方程：(1)式中：X，Y，Z為以岔管相貫線交點(diǎn)為圓點(diǎn)的三維坐標(biāo)；C0，C1，C2為沿X軸線所取的不同段面常數(shù)。對(duì)于岔管段可根據(jù)岔角參數(shù)(半岔角、半錐角)建立以腰梁和U梁為局部坐標(biāo)的相關(guān)方程，通過(guò)數(shù)學(xué)變換則可求所需相貫線的坐標(biāo)。再根據(jù)幾何關(guān)系，則可推出岔管錐段斜截面的交線參數(shù)方程3。如圖1(b)所示，任意傾角為1的斜截面與母線OD的交點(diǎn)為P，由圖中的幾何關(guān)系則可得到P點(diǎn)在截面上的向徑OP和夾角的表達(dá)式為：p=cos(+1)cos(-)/cos(+1-)cos，tg=(1-cos)sincos/cos2+cossin2(2)式中：為母線OD在對(duì)稱面OAB上的投影OC與OA的夾角(AOC)；角為母線OD的旋轉(zhuǎn)角，即從OA開(kāi)始旋轉(zhuǎn)到OD的角度AED的角度。根據(jù)O點(diǎn)的坐標(biāo)和精度要求控制，選取一定間距截面和不同的圖1對(duì)稱岔管結(jié)構(gòu)參數(shù)角，按照式(2)則計(jì)算出斜截面上的任意交點(diǎn)P的坐標(biāo)。對(duì)于卜型岔采用類似方法可求得岔管輪廓線尺寸和相貫線坐標(biāo)。圖2對(duì)稱岔和卜型岔襯砌單元圖3對(duì)稱岔整體有限元單元網(wǎng)格(2)對(duì)岔管外圍的圍巖進(jìn)行網(wǎng)格剖分。首先可根據(jù)已離散的岔管襯砌單元和節(jié)點(diǎn)，按其規(guī)則將圍巖向外擴(kuò)充34層單元，為此可采用對(duì)岔管襯砌外邊界進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)識(shí)，而后將其向圍巖拓展。然后根據(jù)巖體所要計(jì)算的邊界范圍以及網(wǎng)格離散的計(jì)算精度確定計(jì)算模型邊界的單元編號(hào)和結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。再采用插值方法對(duì)中間巖體網(wǎng)格進(jìn)行逐步加密過(guò)渡，則可確定岔管外圍的全部巖體單元網(wǎng)格。這一部分關(guān)鍵在于對(duì)岔管岔角處網(wǎng)格剖分，因?yàn)椴斫翘帒?yīng)力較為集中，往往是有限元分析的重點(diǎn)，要求網(wǎng)格較密，同時(shí)又要求與第一部分網(wǎng)格相協(xié)調(diào)。因此在對(duì)岔管外圍規(guī)則部分巖體網(wǎng)格進(jìn)行離散時(shí)，可采用管道截面交線逐漸由圓或橢圓過(guò)渡到矩形，從而使得岔管岔角處圍巖形成為一個(gè)大的三棱柱，對(duì)于較為規(guī)則的三棱柱，可以較為容易地進(jìn)行六面體網(wǎng)格剖分。(3)對(duì)岔管分岔角處進(jìn)行修圓處理。地下鋼筋混凝土襯砌岔管分岔角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象十分明顯，在開(kāi)挖時(shí)，常常對(duì)分岔角處進(jìn)行修圓處理。岔角修圓后過(guò)渡段不再是一錐管，但截面交線參數(shù)方程仍為橢圓。本文采用在分岔角處進(jìn)行滾動(dòng)圓滑處理，即根據(jù)修圓程度要求，選用一個(gè)合適半徑的圓球，將岔管過(guò)渡段母線滾動(dòng)圓滑，求得母線與斜截面的交點(diǎn)。然后根據(jù)修圓的控制范圍選定不修圓的邊界，再對(duì)修圓后的母線和不修圓的邊界之間的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行插值計(jì)算，則可得到較均勻的修圓岔角網(wǎng)格。采用上述方法，只需修改初始的幾個(gè)輸入?yún)?shù)，則可離散如圖2、圖3所示各種岔管參數(shù)網(wǎng)格。2地下岔管結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化評(píng)估方法地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣不但受岔管本身的形態(tài)的影響，還與所處的地質(zhì)環(huán)境、巖體特性、原巖應(yīng)力場(chǎng)有極大的關(guān)系。岔管結(jié)構(gòu)本身的形態(tài)直接影響鋼筋混凝土岔管襯砌的受力特性，而地下岔管所處的圍巖穩(wěn)定特性是地下岔管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵。因此對(duì)地下鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化評(píng)估，可從岔管襯砌整體受力特點(diǎn)和岔管洞室開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定特性兩方面來(lái)評(píng)估。2.1岔管洞室開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定特性評(píng)估巖體是一種彈塑性介質(zhì)，其塑性變形是不可恢復(fù)的非線性變形。當(dāng)?shù)叵虏砉芩幍膰鷰r特性不同、原巖應(yīng)力狀態(tài)相異時(shí)，地下岔管洞室開(kāi)挖后，其圍巖的破壞狀態(tài)和應(yīng)力擾動(dòng)情況也就不同。巖體發(fā)生塑性破壞時(shí)，巖體的塑性應(yīng)變能增量將全部耗散掉。塑性應(yīng)變能耗散越多，說(shuō)明地下岔管洞室開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)破壞越