鋼筋混凝土管道的彈性分析計算

鋼筋混凝土管道的彈性分析計算

一.三峽背管相關(guān)資料

1.工程概況

該電站為巨型水電站，壩型為混凝土重力壩。壩高145m,壩頂高程185m,正

常蓄水位175m,壩段寬25m。采用壩后式廠房，裝機(jī)26臺，采用單機(jī)單管形

式，單機(jī)容量700MW。電站壓力管道管徑為12.4m,，。值為1730m2。壓力管

道采用壩后背管布置形式，在下游壩面預(yù)留淺槽，管道埋入壩面以內(nèi)約1/2管徑。

壓力管道背管部分采用鋼襯鋼筋混凝土管形式，管道規(guī)模大，結(jié)構(gòu)新穎，技術(shù)復(fù)

雜，管道工作條件十分復(fù)雜。

2.材料及參數(shù)

3

管道鋼襯采用16MnR鋼板，板厚30mm,E=210GPa,u=0.3,P=0.0078Mkg/mo

2.0m,標(biāo)號衲C30,E=255GPa,U=0,167,P=0.0025Mkg/m3o壩

體混凝土標(biāo)號C20,材料參數(shù)查混凝土設(shè)計規(guī)范。查規(guī)范后取C20混凝土

E=20.0Gpa,P=0.167,P=0.0024Mkg/m3

圖1三峽下游壩面鋼襯鋼筋混凝土管道幾何模型

結(jié)構(gòu)計算模型

計算模型采用三維空間立體結(jié)構(gòu)來模擬，縱向長度取為40m。共劃分網(wǎng)格7020

個，節(jié)點總數(shù)7942個。網(wǎng)格總數(shù)及密度基本上能滿足運(yùn)算精度要求。劃分網(wǎng)格

中采用的單元類型分別為PLANE42,SHELL63和SOUD45。其中鋼管網(wǎng)格劃分采

用殼單元，其對應(yīng)的實常數(shù)取殼體單元的厚度為0.03m,即四個節(jié)點等厚度。

圖2：鋼管混凝土計算網(wǎng)格模型

三.具體計算流程

計算過程分為兩個工況：1）完建期2）運(yùn)行期

其對應(yīng)的荷載分別為：1）完建期=自重

2）運(yùn)行期=自重+內(nèi)水壓力

分別計算分析該模型在對應(yīng)荷載作用下的變形及受力特點。其中材料特性單位局

采用標(biāo)準(zhǔn)單位。即：長度：m；彈性模量E:Mpa；密度P：Mkg/水的容重?：

水的容重/取為0.0098。由于壓力水頭為50m,故內(nèi)水壓力

yxh=0.0098x50=0.49

對于該問題邊界約束施加為：X向左右兩側(cè)UX向約束；

Y向模型底部全約束；

下面為模型建立及計算的APDL命令流：

/BATCH

/PREP7

!!!!模型建立部分

!!!!模型建立部分

!關(guān)鍵點坐標(biāo)

k,,0,0,0

k〃25,0,0

k〃25,15.07,0

k〃0,15.07,0

k〃4.3,8.6,0

k〃20.7,8.6,0

k〃20.7,16.8,0

k〃4.3,16.8,0

k〃12.5,16.8,0

!生成線，面

LSTR,4,1

LSTR,1,2

LSTR,2,3

LSTR,3,4

LSTR,5,6

LSTR,6,7

LSTR,7,8

LSTR,8,5

FLS7；2,4,4

FITEM,2,1

FITEM,2,2

FITEM,2,3

FITEM,2,4

AL,P51X

FLST2,4,4

FITEM,2,8

FITEM25

FITEM,2,6

FITEM,2,7

AL,P51X

CYL4,12.5,16.8,8.2

ASBL,3,7

ADELE,5,,,1

CYL4,12.5,16.8,6.2

FLST,2,3,5,ORDE,2

FITEM,2,2

FITEM,2,-4

APTN,P51X

FLS7；2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,5

FITEM,2r6

ADELE,P51X,,,1

FLSI；324QRDE,2

FITEM,3,14

FITEM,3,-15

ASBL,1,P51X

ADELE,2,,,1

ALLSEL,ALL

FLST,2,3,5,ORDE,3

FITEM23

FITEM,27

FITEM,2r8

A0VLAP,P51X

WPSTYLE〃〃〃,,1

KWPAVE,5

wpro,,-90.000000,

ASBW5

KWPAVE,16

wpro/z/90.000000

FLST,2,3,5,ORDE,3

FITEM,2,4

FITEM,2,7

FITEM,2,-8

ASBWP51X

KWPAVE,5

ASBW11

KWPAVE,6

ASBW13

LSTR,9,5

LSTR,9,6

LPLOT

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,10

FITEM,2,12

FLST,3,2,4QRDE,2

FITEM,3,33

FITEM,3,37

ASBL,P51X,P51X

NUMMRG,ALL,,,,LOW

!指定單元類型

ET,1,PLANE42

ET,2,SHELL63

R,1,0.03,0.03,0.03,0.03,,,

E7；3,SOLID45

!!!!網(wǎng)格劃分部分

!!!!網(wǎng)格劃分部分

!劃分網(wǎng)格

TYPE,1

MAT,

REAL,1

ESYS,0

SECNUM,

FLS[5,5,4,ORDE,5

FITEM,5,1

FITEM,5,18

FITEM,5,20

FITEM,5,-21

FITEM524

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL?_Y

LESZE,_Y1,,4,,,,O

FLST,5,3,4,ORDE,3

FITEM,5,29

FITEM,5,38

FITEM,5,40

CM-YLINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,,_Y

LESIZE,_Y1,,,6,,,,,O

FLS[5,4,4,ORDE,4

FITEM,5,H

FITEM,5,-12

FITEM5"

FITEM,5,19

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL〃_Y

LESIZE,_Y1,,」2,,,,,O

FLST5,8,4,ORDE,7

FITEM,5,3

FITEM,5,25

FITEM,5z-26

FITEM,5,32

FITEM,5,39

FITEM,5,41

FITEMz5,-43

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL-Y

LESIZE,_Y1,,,8,,,,,O

FLSTZ5,4,4,ORDE,4

FITEM,5,8

FITEM514

FITEM527

FITEM,5,-28

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL-Y

LESIZED,,,,。

FLST,554QRDE,5

FITEM,5,2

FITEM,5,15

FITEM,5,-16

FITEM531

FITEM,5,35

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL-Y

LESIZE-Yl,,,8,0,25,,,,0

FLST,5,3,4QRDE,3

FITEM,5,2

FITEM,5,31

FITEM,5,35

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL-Y

LESIZE-Yl,,,8,4,,,,0

MSHAPE,0,2D

MSHKEY,1

FLST,5,145ORDE,5

FITEM,5,1

FITEM,5,-9

FITEM,5,11

FITEM,5,13

FITEM,5,-16

CM,_Y,AREA

ASELZ//ZP51X

CM,_Y1,AREA

CHKMSH；AREA'

CMSEL,S,_Y

AMESH,_Y1

CMDELE,_Y

CMDELE,_Y1

CMDELE,_Y2

ALLSEL,ALL

NUMMRG,ALL,,,,LOW

!沿2方向拖拉形成體

VEXT,ALL,,,0,0,40,,〃

TYPE,3

MAT,

REAL,1

ESYS,0

SECNUM,

VSWEEP,ALL

ALLSEL,ALL

!清除多余的面網(wǎng)格

ACLEAR,ALL

!劃分殼單元網(wǎng)格

FLST,5,8,5,ORDE,8

FITEM,5,18

FITEM,5,23

FITEM538

FITEM,5,53

FITEM,5,59

FITEM,5,62

FITEM,5,65

FITEM,5,67

ASELS-P51X

!形成鋼管，外包，壩體組建，及N_UX,N_UY,N_UZ組建

TYPE,2

MAT,

REAL,1

ESYS,0

SECNUM,

AMESH,ALL

CM,A_gangguan,AREA

ALLSEL,ALL

FLST,5,4,6,ORDE,4

FITEM,5,1

FITEM5?2

FITEM,5,5

FITEM,5,9

VSEL,S,Z/P51X

CM,V_WAIBU,VOLU

ALLSEL,ALL

FLST,5,10,6,ORDE,6

FITEM,5,3

FITEM5-4

FITEM,5,6

FITEM,5r8

FITEM,5,10

FITEM,5,?14

VSEL,S///P51X

VPLOT

CM,V_BATI,VOLU

NSEL,S,LOC,X,0

NSEL,A,LOC,X,25

CM,N_UX,NODE

ALLSEL,ALL

NSEL,S,LOC,Y,0

CM,N_UY,NODE

ALLSEL,ALL

NSEL,S,LOC,Z,0

NSEL,A,LOC,Z,40

CM,N_UZ,NODE

ALLSEL,ALL

NUMMRG,ALL,,,,LOW

NUMCMP,ALL

!定義材料屬性

MP,EX,1,210000

MP,PRXY,1Q3

MP,DENS,1,0.0078

MP,EX,2,25500

MP,PRXV,0.167

MP,DENS,2,0.0025

MP,EX,3,20000

MP,PRXY,3,0.167

MP,DENS,3,0.0024

!將材料賦給指定單元

CMSEL,S,A_GANGGUAN

ESL\4S

EMODIF,ALL,MAT,1

ALLSEL,ALL

CMSEL,S,V_WAIBU

ESLV,S

EMODIF,ALL,MATZ2

ALLSEL,ALL

CMSEL,S,V_BATI

ESLV,S

EMODIF,ALL,MAT,3

ALLSEL,ALL

/PNUM,MM；1

/REPLOT

!施加約束

D,N_UX,UX

D,N_UY,all

!TIME1施加重力荷載

FINISH

/SOL

ACELQ,9.8,0,

ALLSEL,ALL

/STATUS,SOLU

SOLVE

!TIME2施加內(nèi)水壓力荷載

CMSEL,S,A_GANGGUAN

NSLA,S,1

SF,ALL,PRES,?0.49

ALLSEL,ALL

/STATUS,SOLU

SOLVE

四.計算結(jié)果分析：

整個實體模型包括三部分，即：壓力鋼管，外包混凝土部分，壩體混凝土部分。

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:10:52

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

UX

TOP

RSYS=0

DMX403E-03

SMN=-.951E-04

SMX=.951E-04

A-.845E-04

B634E-04

C=-.422E-04

D=-.211E-04

E=-.309E-14

F=.211E-04

G-.422E-04

H634E-04

I=.845E-04

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:08:04

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME-1

UY

TOP

RSYS-0

DMX?.403E-03

SMN403E-03

A=".380E-03

B336E-03

C=-.291E-03

D=-.246E-03

E-.201E-03

F--.157E-03

G=-.112E-03

H-.671E-04

I?-.224E-04

全部UY

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:19:05

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

UZ

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-.335E-04

SMX=.335E-04

A=-.298E-04

B=-.223E-04

C-.149E-04

D?-.744E-05

E=.268E-12

F=.744E-05

G=.149E-04

H-.223E-04

I=.298E-04

uz沿側(cè)向觀察

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:24:54

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SX(AVG)

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-.778878

SMX=3.208

A-.55738

B=-.114384

C=.328612

D=.771608

E=1.215

F=1.658

G=2.101

H=2.544

I=2.987

外包混凝土X向應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:34:04

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SY(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-2.384

SMX=.443374

A=-2.227

B=-1.913

C=-1.599

D=-1.285

E=".97048

F=-.65629

G=-.3421

H=-.02791

I=.28628

外包混凝土Y向應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:39:54

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SZ(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN-2.202

SMX=8.093

A=-1.63

B=-.486552

C=.657369

D=1.801

E=2.945

F=4.089

G=5.233

H-6.377

I=7.521

外包混凝土z向應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:49:20

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SX(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-1.479

SMX=6.247

A=-1.05

B=".191763

C=.66668

D-1.525

E=2.384

F=3.242

G-4.1

H=4.959

I=5.817

壓力管道上半部分X向應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:52:14

NODALSOLUTION

STEP-1

SUB=1

TIME=1

SX(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.197E-03

SMN-4.464

SMX=1.67

A=-4.123

B=-3.442

C*-2.76

D=-2.078

E=-1.397

F=-.715166

G=-.033582

H=.648003

I=1.33

壓力管道下半部分X向應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:58:40

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SY(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-4.309

SMX=.947284

A=-4.017

B=-3.433

C=-2.849

D=-2.265

E=-1.681

F=-1.097

G=".512804

H=.071231

I=.655266

壓力管道左半部分y向應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:01:24

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SY(AVG)

TOP

RSYS-0

DMX=.403E-03

SMN=-4.309

SMX=.947284

A-4.017

B-3.433

C=-2.849

D=-2.265

E=-1.681

F=-1.097

G=-.512804

H=.071231

I=.655266

壓力管道右半部分y向應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:11:32

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB-1

TIME=1

SZ(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN?-4.417

SMX=16.162

A-3.274

B-.987015

C=1.3

D-3.586

E-5.873

F=8.159

G-10.446

H=12.732

I=15.019

壓力管道上半部分z向應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:15:17

NODALSOLUTION

STEP-1

SUB=1

TIME=1

SZ(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.169E-03

SMN=-15.536

SMX-4.408

A=-14.428

B=-12.212

C=-9.996

D=-7.78

E=-5.564

F=-3.348

G=-1.132

H-1.084

I=3.3

壓力管道下半部分z向應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

次21:23:38

NODALSOLUTION

吆STEP-1

SUB=1

TIME=1

SI(AVG)

)TOP

DMX=.403E-03

SSMN020037

oA-16.162

B=.878976

C=2.677

D=4.475

E=6.273

F=8.071

G=9.869

H=11.667

I=13.465

=15.263

kI

o>

壓力管道上半部分第一主應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:26:46

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SI(AVG)

TOP

DMX=.169E-03

SMN=".011316

SMX=4.408

A

=.234204

B

C=.725245

D=1.216

E=1.707

F=2.198

G=2.689

H=3.18

I=3.671

=4.163

壓力管道下半部分第一主應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:29:35

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME-1

S2(AVG)

TO?

DMX-.403E-03

SMN—2.799

SMX=6.247

A=-2.297

B-1.291

C=-.286397

D=.718673

E-1.724

F=2.729

G=3.734

H=4.739

I=5.744

壓力管道上半部分第二主應(yīng)力

ANSYS12.0.1

JAN42011