基于ANSYS的输水隧洞围岩及衬砌结构有限元分析

根据某配水工程输水隧洞的实际情况,利用ANSYS对V类围岩隧洞典型支护断面建立二维有限元模型,仿真模拟了初始应力状态、毛洞开挖、毛洞支护等施工过程,并拟定内、外水压力不同工况组合,研究了围岩和衬砌的应力、应变状态。结果表明,隧洞周边围岩拉应力值较小,压应力较大值主要集中在隧洞中部;衬砌变形呈现向下变位的特点,拐角处可能存在应力集中现象,弯矩最大值出现在衬砌中部,衬砌的最大拉应力超过了混凝土的抗拉设计强度,最大压应力未超过抗压设计强度。     

基于ANSYS对输水隧洞结构的有限元分析

结合某生态引水工程实例,利用ANSYS建立Ⅴ类围岩输水隧洞的二维有限元模型,研究了隧洞在正常运行工况和检修工况下的应变和应力状态。研究结果表明:在两种工况下衬砌结构均表现为竖向位移;隧洞的底部范围内表现为拉应力,隧洞的两侧表现为压应力,且衬砌结构的最大拉应力超过混凝土的抗拉设计强度,最大压应力未超过混凝土的抗压设计强度。     

水温影响下有压水工隧洞结构稳定分析

为解决运行期有压引水隧洞温度荷载和均匀内水压力联合作用下的应力计算问题,采用有限元法分析隧洞运行期水温变化所产生的温度应力对衬砌应力场与应力极值的影响,通过ANSYS Workbench进行有限元分析,计算运行期不同水温影响条件下的应力分布情况,并对比了弹性力学法计算的温度应力极值。计算结果分析表明,在隧洞运行期混凝土水化热基本稳定后,水温为温度应力的主导条件,水温升高会增大衬砌径向拉应力。因此,对于夏季高温地区或高水温地区需调整隧洞衬砌的配筋,以适应水温产生的温度应力对隧洞衬砌结构的影响。     

渗流耦合作用下的输水隧洞稳定性数值研究

为研究长距离深埋输水隧洞在渗流耦合作用下混凝土衬砌管片的稳定特性,建立有限元模型使用流体计算软件Star-CCM+进行数值模拟,分别对衬砌管片的变形、应力分布和轴力弯矩进行分析。得出以下结论:衬砌混凝土管片周围的变形和应力分布均呈现关于中间轴左右对称分布;考虑渗流耦合作用时衬砌管片的最大径向位移底部移动到顶端,大小由1.932 mm增加到3.108 mm;第一主应力最大值出现在管壁底部外侧,第三主应力最大值出现在管壁内侧;弯矩最大值为82.59 kN/m,该结论可为实际工程建设提供理论指导。     

水工隧洞素混凝土衬砌的粘钢加固与安全系数提升

为了评价衬砌粘钢加固的效果,以三棵松无压城门洞型隧洞为例,建立粘钢加固前后的三维有限元模型,分析了在隧洞停水检修和运行工况下的衬砌应力、应变和开裂情况和加固前后衬砌的安全系数。结果表明,粘钢加固能有效地限制衬砌两侧边墙和底板的不利变形,抑制混凝土的进一步开裂,帮助承担部分拉应力,衬砌结构的最大拉应力和受拉区域都有减小;粘钢加固后,衬砌整体的安全系数有所提升,边墙中部应力满足了安全要求;边墙底部转角处的应力集中区,可以采取适当加厚该处的粘贴钢板厚度解决。     

红旗渠曙光渡槽结构安全评价

红旗渠曙光渡槽多年运行后出现不同程度破损,存在一定安全隐患。基于ABAQUS软件,建立渡槽三维有限元计算模型,采用均质化理论对三维渡槽结构模型进行静力计算,分析渡槽结构的应力和位移,复核渡槽基础沉降,同时考虑差异荷载及温度荷载对渡槽结构的影响,综合评价该渡槽的结构安全。研究结果表明:各槽墩压应力最大值主要分布在墩台和槽墩的接触部位,拉应力最大值均出现在槽墩墩台底部,最大压应力和拉应力分别为2.90 MPa和2.29 MPa,槽墩局部范围出现应力集中;槽墩最大沉降值为1.57 mm,各相邻墩台沉降差最大值为1.07 mm,差异荷载造成的应力集中与温度荷载叠加效应会对槽墩中部产生一定影响。综合认定该渡槽结构安全为B级。     

对流-导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析

寒区水工隧洞在通风条件下产生的温度变化会影响衬砌结构力学性能，进而影响水工隧洞的安全运行。以新疆布伦口水电站水工隧洞为依托，基于现场监测数据，采用有限元法对在不同风温、风速下隧洞不同深度处衬砌结构的热学、力学耦合特性进行深入分析。结果表明：不同风温下水工隧洞洞口衬砌温度低于洞内衬砌温度，洞口衬砌温度变化幅度大于洞内衬砌温度变化幅度；随着通风时间增加，一次衬砌与二次衬砌压应力均先减小后增大，最大压应力均位于拱腰处；不同风速下一次衬砌与二次衬砌最大温差为8.40℃,沿水工隧洞轴向与径向距离的增加，温度逐渐升高，风速、风温影响逐渐减小，最大温度拉应力位于拱腰，一次衬砌为0.12 MPa,二次衬砌为0.32 MPa;在不同风温和不同风速下，一次衬砌与二次衬砌位移均呈水平收缩、竖直隆起趋势。研究成果可为寒区水工隧洞衬砌优化设计提供理论参考。     

高温引水隧洞应力场分布的研究

研究高温隧洞在温度稳定时,达到热平衡条件下的温度场及其引起的温度应力与隧洞自重应力的耦合分布形式。通过应用弹性力学中无限长圆筒对称温度应力的解析解与有限差分软件对温度场的分析,得出温度场及隧洞径向应力σρ、环向应力σφ和轴向应力σz的分布形式,表明在变温区,径向应力σρ呈先增大后减小趋势,环向应力σφ沿着洞径方向由拉应力变化为压应力,轴向应力σz沿着洞径方向为压应力增大。模拟温度应力与自重应力耦合作用下在隧洞水平边墙和洞室顶部的应力分布规律。表明在两个不同位置处的耦合应力分布明显不同,环向应力σφ在水平边墙处为压应力,且逐渐增大后趋于稳定,而在隧洞顶拱处为拉应力,逐渐变为稳定温度区的压应力。隧洞洞顶拱处的混凝土衬砌在耦合应力作用下处于拉应力状态,在环向拉应力作用下极易产生裂缝。更多还原     

关埠引水工程内水压力作用下隧洞管片受力与接缝变形研究

利用有限元软件建立关埠引水工程隧洞管片三维数值模型，系统分析了管片应力、接缝变形及螺栓应力在不同工况下的变化规律。结果表明：内水压力会显著影响隧洞衬砌管片的力学性能，随着内水压力的增大，管片应力、接缝变形及螺栓应力也随之增大，盾构隧洞衬砌管片最大拉应力为3.263 MPa,最大压应力为6.612 MPa、管片接缝变形最大为0.28 mm, TBM隧洞衬砌管片最大拉应力为0.192 MPa,最大压应力为2.952 MPa、管片接缝变形最大为0.08 mm,连接螺栓的应力变化与接缝变形能相互吻合，接缝变形越大，螺栓应力也越大，最大值为604.01 MPa。研究结果可为输水隧洞衬砌结构的设计与分析提供参考。     

结构尺寸对有压洞衬砌温度应力的影响

圆形有压泄洪洞结构尺寸包括洞径、衬砌厚度及分缝长度,是影响有压洞衬砌混凝土温控防裂的重要结构要素。对圆形有压泄洪洞进行不同洞径、不同衬砌厚度、不同分缝长度的温度场及温度应力场影响分析。结果表明,结构尺寸是影响有压洞衬砌混凝土温度应力的重要因素。一方面,洞径和分缝长度对衬砌温度场影响不大,而衬砌厚度越大,衬砌内部温度越高;另一方面,结构尺寸越大,衬砌温度应力越大,混凝土更容易出现裂缝,也因此要求施工中采取更严格的温控措施。     

TBM隧洞管片衬砌受力与连接螺杆的必要性研究

结合某TBM有压引水隧洞,建立了包含管片衬砌与外部围岩的三维数值计算模型,运用有限元法模拟分析衬砌在不同工况下的应力和变形特性,探索使用连接螺杆的必要性。结果表明:施工完建期在开挖释放荷载和豆砾石灌浆压力单独作用下螺杆对衬砌的受力影响甚微;运行期在内水压力作用下,采用螺杆的方案衬砌环向拉应力较大且在与螺杆连接位置处出现局部应力集中。未采用螺杆的方案使得管片衬砌具有柔性结构的特征,承担的内压较小因而环向拉应力较小,表明螺杆对衬砌的环形拉应力不利。未采用螺杆的接缝处最大张开位移由原来的0.635 mm增加为0.731 mm,表明螺杆对于减小接缝处张开位移有利。基于接缝处张开位移不大于4 mm即可满足要求,具有较高的安全裕度,螺杆的优势不明显。鉴于此,从螺杆的不利角度出发,建议螺杆在管片安装期间完成功能后放松螺杆连接,以避免管片局部被动拉裂而影响结构整体的安全性。     

高地温隧洞温度场三维数值模拟分析

在高地温条件下,温度场是影响引水隧洞结构稳定的重要因素。为了研究不同工况下引水隧洞的温度场特性,以新疆布仑口—公格尔水电站高地温引水隧洞为依托,采用有限元仿真模拟的方法建立三维模型,对不同工况下高地温引水隧洞围岩及衬砌结构的稳态温度场特性进行了模拟计算,并取衬砌结构及围岩不同测点的温度场特性值进行对比分析。结果显示:受洞口及掌子面影响,围岩及衬砌温度随洞深增大可分为平缓段和骤升段两个阶段,且呈非线性变化。衬砌腰拱与顶拱内表面温差随洞深增大逐渐减小,且与工况有关,施工期最大值为1.26℃,运行期最大值为0.22℃。从模拟结果与实测结果的对比分析可知,实测与模拟所得围岩温度场分布特性相同。研究成果可为高地温引水隧洞热力耦合分析及其洞室稳定性提供了理论依据,同时也可为高地温区相关工程提供参考。     

高地温条件下深埋隧洞围岩温度—应力分析及施工对策

以位于西昆仑山区的齐热哈塔尔水电站引水发电隧洞高地温洞段为例,初步分析了工程区隧洞高地温洞段大地热流背景及其形成机理,针对隧洞围岩的高地温分布特征,建立典型高地温洞段地质模型,利用有限元软件模拟隧洞施工贯通通水后的围岩岩体温度场,并由此来推断热应力对于围岩稳定性的影响。结果表明,围岩温度90℃以上、空气温度50℃以上的高地温洞段,内外温差大于10℃(里低外高),若采用无衬砌和一次支护方案对高地温洞段围岩进行支护,该洞段内大部分区域的最大主拉应力将超过C25混凝土的抗拉强度,易产生整体拉裂破坏;若采用钢筋混凝土衬砌结构方案,则可以通过增加衬砌结构的配筋量来降低其最大主应力值,此时隧洞围岩及衬砌结构均未出现整体拉裂破坏。研究成果能够为保证该高地温隧洞的安全运行提供可靠的设计依据。     

ABAQUS在输水隧洞衬砌结构计算中的应用

为研究输水隧洞在地震荷载作用下结构的受力变形规律,文章采用大型有限元软件ABAQUS,对输水隧洞在设计和地震两种工况下的应力及变形规律进行分析研究,得到以下结果:输水隧洞衬砌结构在两种工况下应力最大值均位于边墙与底板的交接位置,在交接处由于结构突变产生了应力集中,结构位移在底板的跨中位置最大,其次是顶拱位置,在边墙两侧呈对称分布;在地震荷载作用下,隧洞结构应力及变形情况均大于设计工况,在底板、边墙及拱顶交接处产生塑性变形并发生破坏,并向周围扩散,在设计中应在底板、边墙及拱顶交接处采取一定的措施来防止结构破坏。结果表明,有限元ABAQUS在隧洞衬砌结构计算中准确性高,设计成果符合工程实际情况。     

新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术及其有限元分析

本文提出了一新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术,即:在厚壁圆筒承受内外水压力时,利用围岩的抗力作用,采用外加预应力法,在围岩和衬砌混凝土之间安装一种圆环形扁千斤顶设备——用薄钢板制成的中空圆环形压力囊,并根据需要利用水或水泥浆通过有限的径向位移对隧洞衬砌混凝土层外部人为地施加某一数值与分布的均布压应力,用以部分或全部抵消内水压力所产生的拉应力。其优点是不仅省去了预应力钢筋,而且施工简便、经济合理。还利用三维有限元法,分析了在隧洞衬砌混凝土外层间隔施加预应力时衬砌混凝土中应力的变化。计算结果表明,该技术是可行的,效果十分明显,可应用于实际工程。     

拱坝对近坝肩导流洞结构衬砌的影响研究

为了更加深入准确的研究靠近拱坝坝肩导流洞的真实受力情况,使导流洞在施工期安全运行,研究分析了拱坝对靠近坝肩导流洞的影响。采用Ansys有限元分析法,建立拱坝和导流洞整体有限元模型,分析在自重,自重加静水情况下拱坝对导流洞产生的附加应力,为隧洞衬砌配筋提供依据。计算结果表明:拱坝对导流洞靠近坝肩部位产生的附加应力不容忽视,坝肩岩体灌浆对减小附加应力有一定作用。研究成果可为近拱坝坝肩导流洞的设计和施工提供参考。     

基于有条件联合承载机理的导流隧洞衬砌 安全与加固措施研究

针对高边墙的导流隧洞,结合某导流洞工程实例,建立了包含衬砌、围岩和支护结构在内的数值分析模型,采用有限抗拉强度材料反映衬砌与围岩间粘结强度有限的受力特征,分析了封堵期间在外水压力作用下衬砌与围岩的有条件联合承载特性,进而校核了衬砌结构的安全性。结果表明：随着衬砌与围岩粘结强度的降低,衬砌应力数值随之增加,所需最小抗剪厚度也越来越大;当衬砌厚度不满足条件时,可将衬砌内钢筋与外围锚杆绑扎或在衬砌内表面施加锚筋桩加固;相比钢筋与外围锚杆绑扎的加固措施,锚筋桩加固措施更为有效。     

输水隧洞灌浆式预应力衬砌结构承载机理研究

输水隧洞双层混凝土衬砌之间采用预应力灌浆可以提高结构的承载能力,但此类灌浆式预应力衬砌结构的承载机理尚未得到系统阐释。基于弹性理论,采用荷载结构法,建立了考虑变形协调关系的灌浆式预应力衬砌力学分析模型。通过对衬砌结构的受力分析,揭示了预应力灌浆提高衬砌结构承载力的机理,推演了衬砌结构环向拉应力判定式,以及环向抗拉强度与灌浆预应力的关系式。利用有限元数值模拟验证了理论方法的合理性,针对工程案例分析了灌浆预应力对衬砌结构的定量影响规律。结果表明:结构能承担的最大内水压力与灌浆预应力及外部水土压力,均近似呈线性正相关,内衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力的增大而减小,外衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力增大而显著增大。这种考虑临界情况的分析和计算方法,揭示了灌浆式预应力衬砌结构的承载机理,可为该类型输水隧洞的力学分析和结构设计提供理论依据。     

柘溪水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌非线性有限元计算研究

采用钢筋混凝土非线性有限元方法，对柘溪水电站引水隧洞钢筋混凝土衬砌的强度和开裂度进行了校核，并对衬砌开裂原因进行了分析，得出温度应力对该衬砌结构开裂具有相当影响的结论。