碩士畢業(yè)論文-終結(jié)版-07改.docx

碩士學(xué)位論文熱力檢查室內(nèi)力計(jì)算方法研究Calculation method for internal forces of an inspection well in heating project作者：廖磊瓊導(dǎo)師：楊成永北京交通大學(xué)2020年3月學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，提供閱覽服務(wù),并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日中圖分類號：TU924 學(xué)校代碼：10004UDC： 密級：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文熱力檢查室內(nèi)力計(jì)算方法研究Calculation method for internal forces of an inspection well in heating project作者姓名：廖磊瓊學(xué) 號：10121332導(dǎo)師姓名：楊成永 職 稱：教授學(xué)位類別：工學(xué) 學(xué)位級別：碩士學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程研究方向：隧道工程北京交通大學(xué)2020年3月i致謝本論文是在我的導(dǎo)師楊成永教授的悉心指導(dǎo)下完成的。楊成永教授嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助。在論文的選題、研究計(jì)劃的確定，無不傾注了導(dǎo)師的大量心血。導(dǎo)師學(xué)識淵博、思維敏銳、面對問題的自信和樂觀，一次次幫助我克服了畏難情緒。楊老師講解問題言簡意賅、高屋建瓴，聽后深受啟發(fā)。楊老師平日再忙，但只要有疑問都會(huì)及時(shí)為我解惑；導(dǎo)師淵博的學(xué)術(shù)知識、求真務(wù)實(shí)的治學(xué)態(tài)度、寬厚的待人品格，使我受益非淺；他教給了我很多做人治學(xué)的道理，并將影響我一生，栽培之恩沒齒難忘。在此衷心感謝楊成永老師對我的關(guān)心和指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫論文期間，師兄周攀、張彥斌、同門趙陽、邱美麗，同學(xué)王志偉、李賀、李子峰等對我論文中的研究工作給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感激之情。同時(shí)也感謝家人，他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專心完成我的學(xué)業(yè)。最后，我要感謝給予我?guī)椭?、支持和鼓?lì)的所有的人，并祝愿他們身體健康、工作順利，生活愉快！iii中文摘要中文摘要摘要：熱力檢查室板的內(nèi)力可采用解析和有限元數(shù)值方法。解析計(jì)算又可根據(jù)板的支承條件分為簡支、固支和彈性固定三種方法。有限元數(shù)值方法可以針對檢查室整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。熱力檢查室設(shè)計(jì)中，板的內(nèi)力計(jì)算一直以來采用解析方法，即把一個(gè)檢查室分成六塊單板，查表計(jì)算其彎矩，然后按純彎構(gòu)件配置鋼筋。這樣做沒有考慮六塊板的協(xié)調(diào)變形，也難以考慮人孔和溝口等開孔對板內(nèi)力的影響。導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果通常過于保守，造成鋼材的浪費(fèi)。而有限元數(shù)值方法得到的結(jié)果偏小，如果采用會(huì)使得工程安全儲(chǔ)備不足。針對這一問題，本文開展檢查室內(nèi)力的數(shù)值計(jì)算方法研究，提出能夠用于設(shè)計(jì)的簡化數(shù)值計(jì)算方法。本文的主要內(nèi)容和結(jié)果如下：(1) 把檢查室各塊板視為四邊簡支板和固支板，查表計(jì)算單塊板的彎矩。(2) 采用ANSYS軟件的shell63單元建立檢查室模型，計(jì)算得到檢查室內(nèi)力的數(shù)值解。(3) 提出檢查室計(jì)算的框架方法，計(jì)算檢查室的內(nèi)力，并與以上兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析；根據(jù)對比結(jié)論對框架方法的荷載分配進(jìn)行調(diào)整，得到了更合理的計(jì)算結(jié)果；再采用長寬比為2:1的檢查室板驗(yàn)證框架方法的合理性。(4) 把框架方法應(yīng)用于實(shí)際工程案例，驗(yàn)證框架方法的實(shí)用性。通過解析解、數(shù)值解以及框架方法得到的解之間的對比可知：框架方法得出的內(nèi)力解整體處于解析解和數(shù)值解之間。板四周簡支條件下得到的板跨中彎矩是板中內(nèi)力的上限值，數(shù)值計(jì)算得到的板跨中彎矩是板跨中彎矩的下限值；由板四周固支得到板支座彎矩是板端彎矩的上限值，數(shù)值模擬得到的板支座彎矩是板支座彎矩的下限值。本文的研究成果，對熱力檢查室結(jié)構(gòu)及與其類似的地下結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：熱力檢查室；板內(nèi)力計(jì)算方法；解析方法；有限元數(shù)值模擬分類號：TU924vABSTRACTABSTRACTABSTRACT: Theoretical method and numerical method are often used in calculation of internal forces of inspection wells. According to boundary conditions, a slab can be simply supported, fixed and elastically fixed. FEM numerical method can be used to calculate internal forces for an inspection as a whole.In design of heating projects, theoretical method is mainly adopted in calculation of internal forces of inspection wells, in which an inspection well is divided into six slabs and calculated separately. Then the slabs are reinforced according to the moment. In doing so, the coordinated deformation of six slabs is ignored, and it is difficult to consider the influence of an opening or a hole to internal forces. As a result, the design is usually too conservative, causing material waste. On the other hand, numerical simulation usually gives results which are too small. If adopted, the design can not guarantee enough safety margin. To solve this problem, this paper focuses on a new method which can be used in design of heating projects.The main contents and conclusions are as below:(1) Taking a well as six slabs with four-sides simply supported and fixed respectively, internal forces are calculated thereotically.(2) Shell63 element is used and the internal forces of wells are computed by ANSYS software.(3) A frame method is proposed and inspection wells are calculated by this method. Comparison is conducted over the results by theoretical method, numerical simulation and frame method. Upon the comparison, the loads on the frame are modified, which leads to more rational results. Then two wells with length-to-width ration being 2:1 are calculated, which shows that the frame method can also give correct results.(4) The frame method is used to an engineering case and verified.According to the comparison on results by theoretical method, numerical simulation and frame method, the results by frame method lie between theoretical method and numerical simulation. For the moment at center of a simply supported slab, theoretical method gives the largest value while numerical simulation gives the smallest. For the moment at four sides of a fixed slab, theoretical method gives the largest value while numerical simulation gives the smallest.The results of this paper provide a good reference for design and further research of inspection wells and other underground structures.KEYWORDS: inspection well; calculation method for internal forces of a slab; theoretical method; FEM numerical simulationCLASSNO:TU924vii目錄目錄中文摘要vABSTRACTvii第一章 緒論11.1引言11.2熱力檢查室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及存在問題11.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4本文研究的背景及意義41.5本文研究的內(nèi)容和方法5第二章 檢查室內(nèi)力查表計(jì)算72.1概述72.2典型檢查室計(jì)算數(shù)據(jù)72.3查表計(jì)算檢查室板內(nèi)力7第三章 檢查室內(nèi)力數(shù)值模擬計(jì)算153.1有限元分析的基本原理153.2 ANSYS軟件中Shell63單元介紹173.3檢查室內(nèi)力三維數(shù)值計(jì)算20第四章 檢查室內(nèi)力按框架方法計(jì)算234.1檢查室框架計(jì)算方法的提出234.2框架方法的內(nèi)力計(jì)算234.2.1框架荷載導(dǎo)算234.2.2框架內(nèi)力計(jì)算264.2.3三種計(jì)算方法結(jié)果對比374.3調(diào)整后框架方法的內(nèi)力計(jì)算394.3.1框架荷載導(dǎo)算394.3.2框架內(nèi)力計(jì)算424.3.4調(diào)整荷載系數(shù)504.3.5三種計(jì)算方法結(jié)果對比514.4改變矩形面為1:2時(shí)的對比計(jì)算524.4.1由解析計(jì)算得到的內(nèi)力524.4.2由數(shù)值模擬得到的內(nèi)力554.4.3由框架得到的內(nèi)力564.4.4三種計(jì)算方法結(jié)果對比分析59第五章 工程案例615.1工程概況615.2傳感器的布置625.3監(jiān)測結(jié)果635.4用框架方法計(jì)算工程案例675.4.1 檢查室計(jì)算數(shù)據(jù)675.4.2查表計(jì)算檢查室板內(nèi)力685.4.3 檢查室內(nèi)力三維數(shù)值計(jì)算695.4.4檢查室內(nèi)力平面框架解析計(jì)算705.4.5雙筋矩形截面偏心受壓內(nèi)力計(jì)算735.5計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的對比74第六章 主要結(jié)論和展望756.1主要結(jié)論756.2展望75參考文獻(xiàn)77作者簡歷79獨(dú)創(chuàng)性聲明81學(xué)位論文數(shù)據(jù)集8383緒論第一章 緒論1.1 引言隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，快速的城市化進(jìn)程對土建行業(yè)的需要和要求隨之大大增加，在城市市政工程中，工程設(shè)計(jì)人員要面臨集中供熱的問題，對于城市市政工程，目前主要有明挖法和暗挖法。在我國北方地區(qū)集中供熱在冬季供暖中應(yīng)用的很廣泛。與其它眾多供熱方式相比，其主要的優(yōu)勢在于：衛(wèi)生、節(jié)能、環(huán)保。為了節(jié)省城市使用空間、不影響城市的美觀，城市中的集中供熱系統(tǒng)往往采用的是地下敷設(shè)方式。卻也帶來了一些新的問題。埋設(shè)在地下的管道一旦發(fā)生諸如個(gè)別管線泄漏事故，如何及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理確保其正常工作？目前最為經(jīng)濟(jì)、有效的方法是在管道分支處和套管補(bǔ)償器、波形補(bǔ)償器、疏水器、閥門、排氣、放水和除污裝置等易于出現(xiàn)故障的管道附件處，設(shè)置專門用于管道維護(hù)和檢修之用的特殊構(gòu)筑物熱力檢查室，對管路進(jìn)行定期的維護(hù)和檢修1。與工程建設(shè)不相適應(yīng)的是，熱力檢查室的內(nèi)力計(jì)算一直以來采用解析方法，即把一個(gè)檢查室分成六塊單板，查表計(jì)算其彎矩，然后按純彎構(gòu)件配置鋼筋。這樣做沒有考慮六塊板的協(xié)調(diào)變形，也難以考慮人孔和溝口等開孔對板內(nèi)力的影響。導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果通常過于保守，造成鋼材的浪費(fèi)。而有限元數(shù)值方法得到的結(jié)果偏小，如果采用會(huì)使得工程存在安全隱患。針對這一問題，地下熱力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南評審會(huì)中提出檢查室需要采用更合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。為此，本文開展檢查室板內(nèi)力的數(shù)值計(jì)算方法研究，提出能夠用于設(shè)計(jì)的簡化數(shù)值計(jì)算方法，為廣大設(shè)計(jì)人員提供具有實(shí)用性的參考。1.2 熱力檢查室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及存在問題近年來，在我國城市所新建的集中供熱系統(tǒng)中，熱力檢查室采用的多為矩形的截面形式。與其它的截面形式相比較，矩形截面的檢查室主要具有施工簡便，易于與周圍其它地面構(gòu)筑物連接等優(yōu)點(diǎn)。但是一直以來，由于各種不同的原因，對于這種矩形檢查室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，卻始終沒有一種比較好的專用設(shè)計(jì)方法。在現(xiàn)今的檢查室計(jì)算中，常用到兩種簡化模型：單元板簡化模型和整室簡化模型2。單元板簡化模型，是將檢查室六塊板當(dāng)做相互獨(dú)立的板，按照四邊簡支和固支分別計(jì)算板中和板端處彎矩，這種簡化模型不用分析板與板的相互作用，不用考慮板與板之間的協(xié)調(diào)變形，所以計(jì)算方便，但由于忽略了檢查室的整體變形，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力不連續(xù)，變形不協(xié)調(diào)等問題。工程中通常在板與板連接處加上一定的加固措施，抵消整體計(jì)算產(chǎn)生的不利影響，從而保證檢查室結(jié)果的安全使用。整室簡化模型，是將檢查室作為一個(gè)整體分析其受力情況的一種簡化模型。此模型最突出優(yōu)點(diǎn)是：模型中考慮了板間內(nèi)力的相互影響作用，避免了檢查室內(nèi)力及變形的不連續(xù)性和板間交接處內(nèi)力不平衡問題。但是，簡化模型計(jì)算中需要考慮的影響因素較多，求解難度很大，不便于實(shí)踐中直接應(yīng)用。所以直到今天，對矩形檢查室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，仍沿用著矩形水池一類矩形小室結(jié)構(gòu)計(jì)算中所通用的那五種計(jì)算方法，即檢查室的古典彈性計(jì)算法、力學(xué)計(jì)算法、彎矩分配法、有限差分法和有限元法。古典彈性計(jì)算方法，是一種最基本的熱力檢查室單元板簡化模型的計(jì)算方法。它是以結(jié)構(gòu)的平衡條件及應(yīng)變協(xié)調(diào)條件為依據(jù)，由板的彈性曲面微分方程，即板的拉格朗日(lagrange)方程，結(jié)合板的一定邊界條件，來進(jìn)行單板的內(nèi)力及變形計(jì)算。力學(xué)計(jì)算法，是一種在復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題求解中所普遍用到的計(jì)算方法。這種計(jì)算方法基本的思想是，通過各種方式的簡化、轉(zhuǎn)換，將一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體模型轉(zhuǎn)化為一系列相對簡單的梁單元，然后應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本計(jì)算理論，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的具體計(jì)算。彎矩分配法屬于一種改進(jìn)了的力學(xué)計(jì)算法?；驹O(shè)計(jì)思想是：在相鄰板的共同棱邊上，首先加以人為約束，使板的邊緣固定，此時(shí)，板的邊緣必產(chǎn)生固端彎矩。由于兩相鄰板不同而產(chǎn)生的不平衡力矩有使板邊緣產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的傾向。當(dāng)放松人為約束時(shí)，由于在不平衡力矩作用下棱邊發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而使兩相鄰板產(chǎn)生變形和新的分配彎矩。此分配彎矩是板抵抗棱邊轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的彎矩，等于將不平衡力矩按相鄰板的勁度比反向分配于各板的彎矩值。各板邊緣的最終彎矩等于分配彎矩與固端彎矩的代數(shù)和。有限差分法對于板面上有限量的點(diǎn)的撓度用一個(gè)聯(lián)立線性代數(shù)方程組代替拉格朗日四階偏微分方程進(jìn)行求解。求得這些撓度后，再通過與彈性理論相似的方法，利用各種內(nèi)力與撓度間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得板的其它內(nèi)力。在應(yīng)用聯(lián)立線性代數(shù)方程組替代板的拉格朗日四階偏微分方程時(shí)，需要用到有限差分算子的倒數(shù)以及內(nèi)力。有限元技術(shù)是一種既適合于檢查室的單元板簡化模型計(jì)算，又適合于檢查室整室簡化模型計(jì)算的數(shù)值方法。這種計(jì)算方法與有限差分法最大的不同，在于它是將單元板分成許多矩形，三角形或四邊形的面積或單元，而不是網(wǎng)格，所研究的是分割出的小面積而不是網(wǎng)格。每個(gè)單元都具有己知的或可精確地近似的彎曲變位的特性。一般的分析方法是將荷載集中作用在割出的單元的角部(或結(jié)點(diǎn))上，然后再在每個(gè)結(jié)點(diǎn)上(有時(shí)也在中間的一些點(diǎn)上)重新恢復(fù)斜率和變形的連續(xù)性，以滿足平衡條件和邊界條件。在當(dāng)今有限元技術(shù)的發(fā)展階段中，有許多技巧因素滲入了科學(xué)方法之內(nèi)。選擇單元的形狀、單元的數(shù)量、具體的變位特征、單元的定位、單元的數(shù)量等都會(huì)影響解的最終結(jié)果。有限元技術(shù)采用較簡便的方法即可滿足幾乎任何邊界條件，所以它是一個(gè)有力的分析工具。目前已有很多專門用于有限元運(yùn)算的軟件，例如：ANSYS，ABAQUS等。這些有限元軟件能幫助我們分析工程應(yīng)用中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系。五種計(jì)算方法各自都有優(yōu)點(diǎn)和不足，但在實(shí)際工程中還有需要進(jìn)一步解決的問題。在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員將檢查室的各塊板單獨(dú)按照荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算，實(shí)際上，組成檢查室的各板之間并非相互獨(dú)立，互不影響的，各單元板在承載的過程中，向與之相鄰的板面進(jìn)行傳遞，從而使得檢查室所受外部荷載在檢查室內(nèi)部產(chǎn)生了重分配，這種把各板當(dāng)做獨(dú)立板的計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果過于保守，會(huì)造成鋼材的浪費(fèi)。而有限元數(shù)值方法得到的結(jié)果偏小，如果采用會(huì)使得工程存在安全隱患。所以熱力檢查室板的內(nèi)力計(jì)算方法有待于我們進(jìn)一步探討。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對于城市地下熱力結(jié)構(gòu)工程，目前國內(nèi)外都有相關(guān)的工程實(shí)踐，但具體的規(guī)范性的還很稀缺，多是借鑒相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。對于矩形檢查室板間連接及其相互影響的研究是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。在檢查室中各塊板的剛度不一，研究中需要考慮組成檢查室各板件的材料性質(zhì)、各板件間鋼筋的連接形式以及各板面上荷載的作用情況等諸多難以確定因素的影響，所以一直以來國內(nèi)外對此問題的研究都很少。工程中往往將各塊板從檢查室中簡化出來單獨(dú)計(jì)算，一塊完整不開孔的板，在大多數(shù)支撐條件下，其彎矩可按建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊通過查表算出，但這一解析法的缺陷有二：不能考慮有些支撐條件；內(nèi)力只有彎矩，沒有桿件的軸力；而在實(shí)際檢查室中，還要處理各板件連接的問題，可以通過對板間相交處的內(nèi)力的近似重分配(或按板的線剛度分配，或按板的勁度分配)，來解決相鄰板面上彎矩的不平衡問題，以及要求在實(shí)際結(jié)構(gòu)配筋中，通過一些構(gòu)造上的規(guī)定來抵消板間作用對整室結(jié)構(gòu)可能帶來的一些不利影響2。目前對檢查室的內(nèi)力一般采用解析方法查表計(jì)算。沒有考慮六塊板的協(xié)調(diào)變形；沒有考慮桿件的軸力；對開孔的影響采用局部加強(qiáng)的辦法進(jìn)行處理。對地下檢查室這樣類似的構(gòu)筑物，如地鐵車站，除按單板解析計(jì)算外，有些設(shè)計(jì)單位開始采用平面框架有限元數(shù)值方法計(jì)算。復(fù)雜情況下，進(jìn)行三維有限元計(jì)算以作設(shè)計(jì)參考。但是，地下檢查室簡化為平面框架，一般是在長寬比在2倍及以上是合適的，短于這個(gè)尺寸，平面框架上作用的荷載如何確定，需要深入研究。為了解決實(shí)際問題，有時(shí)規(guī)范會(huì)對實(shí)際情況做相應(yīng)的簡化處理，如在給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程中規(guī)定3，當(dāng)頂板為預(yù)制裝配板擱置在池壁頂端而無其它連接措施時(shí)，頂板應(yīng)視為簡支于池壁，池壁頂端應(yīng)視為自由端當(dāng)預(yù)制頂板與池壁頂端有抗剪鋼筋時(shí)，該節(jié)點(diǎn)視為鉸支承；當(dāng)頂板與池壁為整體澆注并配置連接鋼筋時(shí)，該節(jié)點(diǎn)視為彈性固定；當(dāng)僅配置抗剪鋼筋時(shí)，該節(jié)點(diǎn)視為鉸支承；池壁與底板、條形基礎(chǔ)或斗槽連接，可視池壁為固端支承；對于軟基上的水池，應(yīng)考慮地基變形的影響，宜按彈性固定計(jì)算；當(dāng)池壁為雙向受力時(shí)，相鄰池壁間的連接應(yīng)視為彈性固定。目前有限元數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)用廣泛，其突出優(yōu)勢是能夠考慮不同材料、不同幾何尺寸（包括板的開孔）、不同支撐條件及不同荷載形式等復(fù)雜條件。因此，數(shù)值計(jì)算方法在實(shí)踐中使用越來越多。但是，把數(shù)值計(jì)算的結(jié)果直接用于設(shè)計(jì)的卻不多。一般認(rèn)為其計(jì)算結(jié)果偏小，不能保證安全。熱力事業(yè)在最近幾十年得到蓬勃發(fā)展，與工程建設(shè)不相適應(yīng)的是，目前的熱力結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和計(jì)算方法無法滿足需求，規(guī)范僅涉及到明挖的管溝與檢查室，對暗挖及較大埋深結(jié)構(gòu)沒有明確規(guī)定，尤其對熱力地下結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)，尚沒有專業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范和行業(yè)內(nèi)專家認(rèn)同的一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前熱力地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是參照城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范等相關(guān)規(guī)范，所以急需要編制地下熱力工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范或指南，從而規(guī)范各種結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，對計(jì)算方法進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上對各種計(jì)算參數(shù)進(jìn)行合理的取值，使地下熱力工程的結(jié)構(gòu)更加安全、經(jīng)濟(jì)和合理。1.4 本文研究的背景及意義本文的研究是以北京市熱力工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司與北京交通大學(xué)合作項(xiàng)目熱力檢查室內(nèi)力計(jì)算方法研究的一部分，其目的是為熱力檢查室板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的技術(shù)依據(jù)。本文針對熱力檢查室的內(nèi)力計(jì)算方法這一問題，提出了一種解決檢查室板內(nèi)力的新途徑，經(jīng)驗(yàn)證表明所計(jì)算出來的值在解析解和數(shù)值模擬解之間，通過工程實(shí)例也得到印證，證明提出方法的可行性，為檢查室板內(nèi)力計(jì)算提出了一種更合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，可以為工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中作為參考。本文對熱力檢查室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究，有著較強(qiáng)的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。1.5 本文研究的內(nèi)容和方法本文的主要內(nèi)容包括：（1） 對典型檢查室進(jìn)行查表計(jì)算，得到各個(gè)檢查室內(nèi)力的解析結(jié)果。（2） 對典型檢查室進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，得到各個(gè)檢查室內(nèi)力的數(shù)值模擬結(jié)果。（3） 提出檢查室閉合框架計(jì)算方法，用此方法對典型檢查室進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)檢查室的內(nèi)力。（4） 對以上三種方法得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對比，論證方法的可行性。（5） 用本文提出的閉合框架計(jì)算內(nèi)力方法與北京鄭常莊熱電廠配套熱力管線工程（萬壽路西三環(huán)）的監(jiān)測結(jié)果相比較，驗(yàn)證方法的可行性。本文中主要用到的研究方法（1） 在各典型檢查室板的內(nèi)力計(jì)算中，分別對各塊板進(jìn)行了解析計(jì)算。對于板中的內(nèi)力依照四邊簡支的簡支板計(jì)算，對于跨端的內(nèi)力依照各板為四邊固支板計(jì)算，計(jì)算方法參考結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊。（2） 利用ANSYS軟件對檢查室三維整體進(jìn)行了數(shù)值模擬。（3） 再用本文提出閉合框架方法算出各典型檢查室的板內(nèi)力，最后對三種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。（4） 分析北京鄭常莊熱電廠配套熱力管線工程（萬壽路西三環(huán)）的監(jiān)測結(jié)果，與本文提出的方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，分析其合理性。檢查室內(nèi)力查表計(jì)算第二章 檢查室內(nèi)力查表計(jì)算2.1概述本章主要包括如下內(nèi)容：（1）選取用于對比計(jì)算的典型檢查室，確定其尺寸和荷載。（2）根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊，把檢查室板視為四邊簡支和固支板，分別查表計(jì)算單塊板的內(nèi)力。2.2典型檢查室計(jì)算數(shù)據(jù)選擇的3個(gè)典型檢查室進(jìn)行對比計(jì)算，其幾何尺寸及所承受的荷載如表2.1所示。表2.1 檢查室的計(jì)算數(shù)據(jù)檢查室編號檢查室內(nèi)凈空（m）頂板、底板、邊墻厚（m）頂板豎向土壓力（kPa）墻頂側(cè)向土壓力（kPa）墻底側(cè)向土壓力（kPa）長寬高恒載活載合計(jì)恒載活載合計(jì)恒載活載合計(jì)18880.5114.3025.20139.5041.918.4050.31102.878.40111.27212880.5114.3025.20139.5041.918.4050.31102.878.40111.27388120.5114.3025.20139.5041.918.4050.31133.358.40141.75 混凝土強(qiáng)度等級C30，容重取25kN/m3。結(jié)構(gòu)自重取結(jié)構(gòu)體積混凝土重度。底板反力計(jì)算如下：檢查室1：P = (990.52 + 880.52 + 890.52)25/(99)+139.5 = 66.9753+139.5 = 206.48kPa檢查室2：P = (1390.52 + 880.52 + 8130.52)25/(139)+139.5 = 60.90+139.5 = 200.40kPa檢查室3：P = (990.52 + 8120.52 + 1290.52)25/(99)+139.5 = 87.96+139.5 = 227.46kPa2.3查表計(jì)算檢查室板內(nèi)力（1）荷載計(jì)算頂板計(jì)算時(shí)要加上混凝土的自重，底板計(jì)算時(shí)要減去混凝土的自重。頂?shù)装寤炷磷灾貫椋?50.5=12.5kPa。頂板的荷載為：139.50+12.5=152k Pa。底板的荷載值為：檢查室1：206.48-12.5= 193.98kPa；檢查室2：200.40-12.5= 187.90kPa；檢查室3：227.46-12.5= 214.96kPa。列出頂板、底板、側(cè)墻計(jì)算用荷載如表2.2。表2.2 檢查室解析計(jì)算彎矩用荷載檢查室編號檢查室內(nèi)凈空（m）頂板、底板、邊墻厚（m）頂板豎向土壓力（kPa）墻頂側(cè)向土壓力（kPa）墻底側(cè)向土壓力（kPa）底板反力（kPa）凈長凈寬凈高18880.515250.31111.27193.98212880.515250.31111.27187.90388120.515250.31141.75214.96（2）側(cè)墻梯形荷載的處理側(cè)墻所受荷載可分解成矩形均布荷載和三角形荷載，如圖2.1所示。側(cè)墻彎矩即為矩形均布荷載和三角形荷載作用下彎矩的線性疊加。圖2.1 梯形荷載的等效均布荷載最大彎矩在板中間，但三角形荷載最大彎矩離板中間有一點(diǎn)距離，故最大彎矩值不一定在板中間。對于長8.5m的簡支梁，均布荷載50.31kPa最大彎矩在梁中心(4.25m處)，彎矩值為454.36kNm；三角形荷載60.96kPa最大彎矩在4.91m處，彎矩值為282.55kNm，梁中間4.25m處彎矩值為275.27kNm。疊加起來，最大彎矩在4.51m處，為452.66+279.83=732.49kNm；而中間點(diǎn)彎矩為454.36+275.27=729.63kNm 。729.63/732.49=99.61%，誤差在1%以內(nèi)。故可近似認(rèn)為中點(diǎn)即為梁的最大值點(diǎn)，推廣到板上，均布荷載和三角形荷載在板中間的疊加值近視認(rèn)為是板的最大彎矩值。（3）四邊簡支板計(jì)算把檢查室各塊板當(dāng)成簡支板，查表計(jì)算跨中兩個(gè)方向的彎矩。計(jì)算公式為M=kpL2式中M跨內(nèi)或支座單位板寬內(nèi)的彎矩，kN.m。 k彎矩系數(shù)，由查表得到。 p板上的均布荷載，kPa。 L 計(jì)算跨度，取板尺寸Lx和Ly中的較小值。建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊表中跨內(nèi)彎矩系數(shù)系泊松比=0的計(jì)算用表。當(dāng)0時(shí)，跨內(nèi)彎矩需進(jìn)行如下?lián)Q算：查表得3個(gè)檢查室的彎矩系數(shù)，見表2.3。表2.3 四邊簡支板的彎矩計(jì)算系數(shù)檢查室編號檢查室部位均布載荷三角形荷載MxMyMxMy1頂板0.03680.0368-底板0.03680.0368-側(cè)墻0.03680.03680.01840.01842頂板0.02860.0710-底板0.02860.0710-前后墻0.02860.07100.01430.0355左右墻0.03680.03680.01840.01843頂板0.03680.0368-底板0.03680.0368-側(cè)墻0.07100.02860.03550.01433個(gè)檢查室的彎矩計(jì)算結(jié)果見表2.4。表2.4 四邊簡支板的彎矩檢查室編號檢查室板計(jì)算尺寸（m）計(jì)算結(jié)果（kNm）頂板底板前后墻左右墻MxMyMxMyMxMyMxMy18.58.58.5484.97484.97618.90618.90257.77257.77257.77257.77212.58.58.5470.03842.54581.041041.53249.83447.82257.77257.7738.58.512.5484.97484.97685.84685.84532.30296.95532.30296.95（4）四邊固支板計(jì)算把檢查室各塊板當(dāng)成固支板，查表計(jì)算跨中及固端的彎矩。當(dāng)=0時(shí)，四邊固支板跨中計(jì)算系數(shù)如表2.5。表2.5 四邊固支板跨中的彎矩計(jì)算系數(shù)檢查室編號檢查室部位均布載荷三角形荷載MxMyMxMy1頂板0.01760.0176-底板0.01760.0176-側(cè)墻0.01760.01760.00880.00882頂板0.01060.0331-底板0.01060.0331-前后墻0.01060.03310.00530.0165左右墻0.01760.01760.00880.00883頂板0.01760.0176-底板0.01760.0176-側(cè)墻0.03310.01060.01650.0053算出四邊固支板跨中彎矩如表2.6。表2.6 四邊固支板跨中彎矩檢查室編號檢查室板計(jì)算尺寸（m）計(jì)算結(jié)果（kNm）頂板底板前后墻左右墻MxMyMxMyMxMyMxMy18.58.58.5231.94231.94296.00296.00123.28123.28123.28123.28212.58.58.5189.11386.79233.77478.14100.47205.36123.28123.2838.58.512.5231.94231.94328.01328.01244.03119.41244.03119.41當(dāng)0時(shí)，固端彎矩不變，不用修正。固端計(jì)算系數(shù)如表2.7。表2.7 四邊固支板固端彎矩計(jì)算系數(shù)檢查室編號檢查室部位均布載荷三角形荷載MxMyMxMy1My21頂板-0.0513-0.0513-底板-0.0513-0.0513-側(cè)墻-0.0513-0.0513-0.0257-0.0334-0.01792頂板-0.0570-0.0747-底板-0.0570-0.0747-前后墻-0.0570-0.0747-0.0284-0.0457-0.0291左右墻-0.0513-0.0513-0.0257-0.0334-0.01793頂板-0.0513-0.0513-底板-0.0513-0.0513-側(cè)墻-0.0747-0.0570-0.0374-0.0418-0.0152算出四邊固支板固端彎矩如表2.8。表2.8 四邊固支板固端彎矩編號檢查室板計(jì)算尺寸（m）計(jì)算結(jié)果（kNm）頂板底板前后墻左右墻MxMyMxMyMxMy1My2MxMy1My218.58.58.5-563.38-563.38-718.97-718.97-299.66-333.58-186.47-299.66-333.58-186.47212.58.58.5-625.97-820.36-773.82-1014.11-332.27-472.81-271.53-299.66-333.58-186.4738.58.512.5-563.38-563.38-796.73-796.73-518.61-483.34-207.19-518.61-483.34-207.19（5）檢查室軸力的計(jì)算側(cè)墻軸力為頂板傳過來的壓力和側(cè)墻自重產(chǎn)生，而頂板傳過來的壓力按雙向板的受力方式傳力；頂?shù)装遢S力由側(cè)向荷載產(chǎn)生，計(jì)算方式也把側(cè)墻按雙向板的受力方式傳力，按受力面的中點(diǎn)處荷載值作為計(jì)算的平均值，作用示意圖如圖2.2。圖2.2 雙向板受力面示意圖對于檢查室一1）側(cè)墻豎直方向頂部軸力為15299/4/8.5=362.12 kN/m底部軸力為362.12+0.5825=462.12 kN/m水平方向軸力為（50.31+111.27）/299/4/8.5=192.47kN/m2）頂板左右方向軸力為（3/450.31+1/4111.27）99/4/8.5=156.16kN/m前后方向與左右方向相同軸力為（3/450.31+1/4111.27）99/4/8.5=156.16kN/m3）底板左右方向軸力為（1/450.31+3/4111.27）99/4/8.5=228.78kN/m前后方向與左右方向相同軸力為（1/450.31+3/4111.27）99/4/8.5=228.78kN/m對于檢查室二1）前后側(cè)墻豎直方向頂部軸力為152(213-9)9/4/12.5=465.12 kN/m底部軸力為465.12+0.5825=565.12 kN/m水平方向軸力為（50.31+111.27）/299/4/8.5=192.47kN/m左右側(cè)墻豎直方向頂部軸力為15299/4/8.5=362.12 kN/m底部軸力為362.12+0.5825=462.12 kN/m水平方向軸力為（50.31+111.27）/299/4/8.5=192.47kN/m2）頂板左右方向軸力為（3/450.31+1/4111.27）99/4/8.5=156.16kN/m前后方向軸力為（3/450.31+1/4111.27）(213-9)9/4/12.5=200.58kN/m3）底板左右方向軸力為（1/450.31+3/4111.27）99/4/8.5=228.78kN/m前后方向軸力為（1/450.31+3/4111.27）(213-9)9/4/12.5=293.85kN/m對于檢查室三1）側(cè)墻豎直方向頂部軸力為15299/4/8.5=362.12 kN/m底部軸力為362.12+0.51225=512.12 kN/m水平方向軸力為（50.31+141.75）/2(213-9)9/4/12.5=293.85kN/m2）頂板左右方向軸力為（0.82750.31+0.173141.75）99/4/8.5=157.54kN/m前后方向與左右方向相同軸力為（0.82750.31+0.173141.75）99/4/8.5=157.54kN/m3）底板左右方向軸力為（0. 17350.31+0. 827141.75）99/4/8.5=300.01kN/m前后方向與左右方向相同軸力為（0. 17350.31+0. 827141.75）99/4/8.5=300.01kN/m檢查室編號檢查室內(nèi)凈空（m）計(jì)算結(jié)果（kN/m）頂板底板前后墻左右墻左右向前后向左右向前后向水平向豎向水平向豎向1888156.16156.16228.78228.78192.47412.12192.47412.1221288156.16200.58228.78293.85192.47515.12192.47412.1238812157.54157.54300.01300.01293.85437.12293.85437.12得到各板的軸力表2.9表2.9 各檢查室板的軸力值檢查室內(nèi)力數(shù)值模擬計(jì)算第三章 檢查室內(nèi)力數(shù)值模擬計(jì)算3.1有限元分析的基本原理有限單元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種很有效的數(shù)值方法。1960年，美國的Clough R.W.在一篇論文中首次使用“有限元法”這個(gè)詞。它的創(chuàng)立和應(yīng)用在工程分析中具有重要的意義。在國外，20世紀(jì)70年代初有限單元法的基本的理論己基本成熟，商業(yè)的有限元分析軟件開始陸續(xù)出現(xiàn)。在我國，60年代初，數(shù)學(xué)家馮康教授和他的研究組提出了一種以變分原理為基礎(chǔ)的三角形近似法，并用偏微分方程求得了近似解，在嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上證明了它的收斂性、穩(wěn)定性和誤差估計(jì)，編制了計(jì)算程序，并成功的應(yīng)用于劉家峽水壩的應(yīng)力分析等一些課題這個(gè)方法就是我們通常應(yīng)用的有限單元法。有限單元法是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的，為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題提供了有效地方法。有限單元法的主要優(yōu)點(diǎn)是它應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，幾乎在所有的連續(xù)介質(zhì)和場問題中都得到了應(yīng)用，有限單元法的基本思想是將問題的求解步驟劃分為一系列的單元，單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)連接。單元內(nèi)的節(jié)點(diǎn)未知量可以通過選定的函數(shù)關(guān)系插值解得。由于單元形狀簡單，易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)之間方程式，再將各個(gè)單元方程組集在一起而形成總體代數(shù)方程組，記入邊界條件后即可對方程組求解。單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，計(jì)算結(jié)果就越精確。簡言之，有限單元法就是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，再用簡單而又相互作用的元素即單元就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限單元法也是在電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后才真正用于工程分析之中的，由于有了計(jì)算機(jī)這個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算工具，現(xiàn)在的有限元已經(jīng)由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由結(jié)構(gòu)分析發(fā)展到非結(jié)構(gòu)分析，從靜力計(jì)算到動(dòng)力計(jì)算和波動(dòng)計(jì)算，從彈性到彈塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等問題，它可以分析非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的結(jié)構(gòu)，各向異性材料和非均質(zhì)材料，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元法（FEM）在眾多數(shù)值分析方法中脫穎而出，己成為科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)人員在分析解決復(fù)雜問題時(shí)主要使用的方法。同時(shí)，大量的有限元商業(yè)軟件也不斷涌現(xiàn)出來，使有限元法的功能變得更加強(qiáng)大，使用更加便捷，也進(jìn)一步推廣了有限元法的應(yīng)用。有限元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看做是只在節(jié)點(diǎn)處相連接的一組單元的集合體；同時(shí)選定場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一個(gè)單元中假設(shè)一近似插值函數(shù)以表示單元場中場函數(shù)的分布規(guī)律；進(jìn)而利用力學(xué)中的某些變分原理去建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元方程，從而講一個(gè)連續(xù)域中的無限自由度問題化為離散域中的自由度問題。一經(jīng)求解就可以利用解得的節(jié)點(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個(gè)集合體上的場函數(shù)。具體來說，有限元法的分析過程可以分為如下5個(gè)步驟5：（1）結(jié)構(gòu)離散化。離散化就是指將所分析問題的結(jié)構(gòu)分割成有限個(gè)單元體，并在單元體的指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)，使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性，形成有限元網(wǎng)格，即將原來的連續(xù)體離散為在節(jié)點(diǎn)處相連接的有限單元組合體，用它來代替原來的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)離散化時(shí)，劃分單元的大小和數(shù)目應(yīng)當(dāng)根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算機(jī)的容量等因素來確定。（2）選擇位移插值函數(shù)。為了能用節(jié)點(diǎn)位移表示單元體的位移，應(yīng)變和應(yīng)力，在分析連續(xù)體問題時(shí)，必須對單元中位移的分布作出一定的假設(shè)，即假設(shè)位移是坐標(biāo)的某種簡單函數(shù)（插值函數(shù)或位移模式），通常采用多項(xiàng)式作為位移函數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限元法分析中的關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)注意一下幾個(gè)方面：1）多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)應(yīng)等于單元的自由度數(shù)；2）多項(xiàng)式階次應(yīng)包含常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)；3）單元自由度應(yīng)等于單元節(jié)點(diǎn)獨(dú)立位移的個(gè)數(shù)。位移矩陣為 式中，為單元內(nèi)任意一點(diǎn)的位移，為單元