水电站巨型加劲输水钢管外压稳定设计方法研究

应用Mises理论和弹性环外压稳定分析理论,同时考虑结构失稳时材料的塑性影响,分析了大型水电站建设中的巨型加劲输水钢管临界失稳时的外压承载力及失稳形态与管径、壁厚、加劲环形状、尺寸、布置间距及材料力学性能之间的关系。应用本文给出的设计曲线和设计方法,可使管身段和加劲环部位管段获得相同或相近的抗外压失稳能力,又可使钢管在承受外压时的稳定性与材料强度安全协调一致,达到安全与经济的合理统一。     

带加劲环埋藏式压力钢管的抗外压稳定性分析

水电站压力钢管作为一种薄壳结构,在承受外压时易发生压屈而失稳,成为某些水电站压力管道钢衬设计的控制因素.目前规范采用明管抗外压的米赛斯公式计算埋藏式加劲环压力钢管的临界外压,将外包混凝土衬砌对管壁的径向约束作用作为安全储备,安全系数略予降低.为量化这种必然使钢管临界外压增大的混凝土衬砌径向约束作用,首先利用非线性屈曲分析按明管定量分析加劲环式压力钢管的临界外压,进而再通过在外包混凝土衬砌和钢衬间设置接触单元考虑混凝土衬砌对管壁的径向约束作用,按埋管分析加劲环式压力钢管的临界外压,然后与按米赛斯公式和赖华金等所推导的公式计算的临界外压进行对比.表明即使混凝土衬砌和钢管间有均匀分布的缝隙,外包混凝土衬砌的径向约束作用也会使环间管壁的临界屈曲外压明显提高,提高幅度可高达50%以上.     

加劲式压力钢管临界外压数值计算方法

压力钢管是水利水电工程中常见的衬砌类型,其外压稳定性至关重要。为构建加劲式压力钢管临界外压有限元准确计算方法,提出“多环建模、分段约束”的数值求解模型,将计算结果与Mises理论公式、规范公式展开对比讨论;考虑复杂外部约束环境,全面探究加劲环位置不同约束方案对钢管抗外压能力的影响,并基于数值求解方案研究加劲环对钢管管壁临界外压的增强作用及其有效约束长度,结合光面管的屈曲临界外压公式进一步提炼一种新的加劲式压力钢管管壁临界外压快速计算方法。结果表明：有限元特征值屈曲计算具有较高的准确度,与Mises公式计算结果保持较好的一致性,而规范采用的简化式计算结果会随着钢管屈曲波数的变化与Mises公式存在不同程度的差异;针对采用不同径厚比的加劲式压力钢管,其管壁临界外压随着加劲环位置约束作用的提高而增大,随着加劲环间距、钢管半径与钢管厚度比值的增大而逐渐减小,并当加劲环间距大于20 m后不再发生明显的波动现象,逐渐失去约束作用;本文提出的加劲式压力钢管管壁临界外压快速计算方法可同时应用于光面管和加劲环管,与相关Mises理论公式、规范公式相比,具有准确性高、计算简单、方便使用的特点,可为实际工程中钢管管壁临界外压计算提供一种新的选择。     

加劲环式压力管道非线性有限元分析及稳定性计算

采用非线性分析理论,对加劲环式压力管道进行了非线性有限元分析,给出了加劲环式压力管道的应力分布规律和混凝土开裂次序,分析结果为加劲环式压力管道的设计和施工提供了参考依据.并采用半解析有限元法对加劲环式压力钢管进行了抗外压稳定性计算分析,结果表明,该加劲环式压力管道是安全可靠的.     

钢管混凝土柱节点开孔后的抗压性能

通过9根钢管混凝土试件的轴心受压试验,研究在钢管混凝土结构梁柱节点处开孔对钢管混凝土柱的轴压性能的影响及在开孔处设置加强环和加劲肋的增强作用,分析了开孔形状、开孔位置及加强环和加劲肋布置方法等对钢管混凝土柱轴心性能的影响。研究结果表明:所有试件均在端部和靠近加强环处出现钢管局部鼓曲;钢管壁开孔降低了节点处钢管对混凝土的约束刚度,但由于加强环和加劲肋的增强作用,钢管壁开孔对钢管混凝土柱的轴心受压承载力影响不明显。在试验研究的基础上,利用有限元分析软件ABAQUS对钢管混凝土节点处开孔后的钢管混凝土柱的轴压性能进行研究,分析钢管纵、环向应力及混凝土纵向应力沿钢管混凝土柱的分布特征.     

埋藏式压力钢管抗外压稳定分析

在分析埋藏式压力钢管曲屈失稳破坏及其原因的基础上,提出了防止压力钢管曲屈失稳破坏的预防措施．并对国内外现行埋藏式压力钢管抗外压稳定的计算理论和方法进行了分析比较,编制了相应的计算机程序,大大简化了埋藏式压力钢管的抗外压稳定设计．     

埋藏式压力钢管抗外压稳定分析

在分析埋藏式压力钢管曲屈失稳破坏及其原因的基础上,提出了防止压力钢管曲屈失稳破坏的预防措施,并对国内外现行埋藏式压力钢管抗外压稳定的计算理论和方法进行了分析比较,编制了相应的计算机程序,大大简化了埋藏式压力钢管的抗外压稳定设计。     

设纵肋CFRST轴压柱屈曲性能解析分析与加劲肋设计

钢管宽厚比是限制矩形钢管混凝土构件截面设计的主要因素,为增加钢管宽厚比限值,延缓管壁局部屈曲,可在管壁上设置纵向加劲肋.加劲肋的肋数及尺寸显著影响钢管的承载力及管内混凝土的整体性能.论文建立设纵肋矩形钢管混凝土轴压柱的屈曲分析模型,将问题转化为求解均布荷载作用下加载边和非加载板均为固支边界的设纵肋薄板的屈曲荷载,采用能量法推导出构件屈曲荷载及屈曲系数的解析表达式.根据被加劲板的屈曲模式,提出采用最小加劲刚度比进行矩形钢管混凝土轴压构件加劲肋的设计,并给出相应的计算公式,为加劲肋的肋数、截面尺寸及材料性能设计提供指导.     

考虑初始缝隙因素作用钢管抗外压稳定计算的一种半解析有限元法

采用半解析有限元法,并考虑初始缝隙和加劲环等因素的影响,研究了埋藏式压力钢管抗外压稳定计算问题.在讨论过程中,利用了阿姆斯图兹(Amstutz)公式推导时的部分假设和结果,建立了圆柱壳单元的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵.计算结果表明,用此方法解决埋藏式压力钢管抗外压稳定计算问题,具有很好的收敛性,且同经典的理论解比较吻合.     

环肋圆柱壳稳定特性与破坏模式的探讨

进一步分析和研究环肋圆柱壳在均匀外压力稳定性计算公式的适用范围，并讨论了ｍａ１与１同级的限制是安全不必要的。分析探讨了３种破坏模式与结构参数、屈服极限的关系，从理论上详细说明了环肋圆柱壳在３种外力状态下（仅受轴向均匀外压，仅受横向均匀外压和各向均匀外压）总稳定性随几何参数变化的规律，指出在各向均匀外压下总失稳的异常特性实质是仅受轴向外压的特性，最后用模型实验结果来证明理论分析与研究的正确性。     

带肋薄壁方钢管混凝土柱耐火极限的计算分析

采用分段积分法编制了计算带肋薄壁方钢管混凝土柱耐火极限的程序,计算结果与相关实验结果吻合较好。在此基础上,分析了柱的变形及加劲肋宽度等的影响规律,结果表明,带肋薄壁方钢管混凝土柱的耐火极限随着加劲肋宽度的增加而增加;轴压比对耐火极限的影响较大,随着轴压比的减小,构件的耐火极限增加;除较小加劲肋宽度且低荷载的情况之外,在薄壁钢管混凝土柱内部设置纵向加劲肋能够提供一定的安全储备。     

方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点的非线性有限元分析

目的研究环板宽度和柱轴压比对方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点力学性能的影响.方法采用ABAQUS有限元程序,对方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点进行非线性分析,计算和分析了外环板节点受力的荷载-变形全过程关系曲线.结果给出了有限元计算中钢材和混凝土本构关系模型、钢管及其核心混凝土之间界面模型等确定方法,分析柱端水平荷载-水平位移（P-Δ）骨架曲线,并提出了合理的环板宽度设计建议,理论计算结果与试验结果吻合较好.结论柱轴压比的增大和环板宽度的减小,都会降低节点水平极限承载力;按现有规程设计外加强环是安全可靠的,但环板宽度可按2/3设计就已满足抗震要求的承载力和刚度.     

穿孔肋-拉杆约束方钢管混凝土柱轴压性能研究

为了进一步提高方钢管混凝土柱的轴压承载力,改善其局部屈曲,提出一种新的穿孔肋-拉杆约束方钢管混凝土柱。在试验基础上,数值模拟穿孔肋-拉杆约束方钢管混凝土柱的轴压破坏形态、极限承载力和延性。对比分析仅设加劲肋方钢管混凝土短柱和加劲肋宽厚比不同的穿孔肋-拉杆约束方钢管混凝土短柱在相同条件下的轴压性能,结果表明,穿孔肋-拉杆约束方钢管混凝土柱破坏时,沿高度和横截面方向的变形分布比仅设加劲肋短柱更加均匀,且有更高的承载力和延性。随着穿孔肋宽厚比增加,穿孔肋与拉杆的协同作用逐渐增强,轴压承载力、延性都呈现出递增趋势。与试验结果对比可知,模拟与试验结果的荷载-位移曲线在弹性上升段和弹塑性上升段吻合最好,极限承载力差值在2%以内。穿孔肋-拉杆约束方钢管混凝土柱的数值模拟分析对其在工程实际中的应用有重要的参考价值。     

钢框架十字型刚性节点滞回性能分析与设计

为研究钢框架十字型刚性节点构件的滞回性能,以轴压比、H型钢柱腹板厚度、钢梁截面形式及加劲肋为参数,设计8组钢框架十字型刚性节点和1组T型刚性节点;基于简化的力学模型和材料的本构关系,利用ABAQUS软件建立有限元模型,分析节点试件的滞回性能;通过与已有的T型刚性节点试验结果对比,两者吻合较好,验证有限元模型的合理性.开展十字型节点仿真分析,提取节点荷载—位移滞回曲线、包络图、骨架曲线和应力云图,获得柱轴压比、H型钢柱腹板厚度、钢梁截面形式及加劲肋对该类节点抗震性能的影响规律,并对轴压比、柱腹板与翼缘厚度比提出设计建议.结果表明:柱轴压比设计限值建议取为0.5,柱腹板与翼缘厚度比设计限值建议取为0.75.当截面形式为H型钢时,十字型刚性节点的抗震性能良好,并且优于截面形式为钢管的,节点域设置横向加劲肋可有效提高节点的抗震性能.     

PBL 加劲型矩形钢管混凝土不等宽 T型节点应力集中系数分析

为研究开孔钢板连接件（PBL ）加劲型矩形钢管混凝土 T 型节点的疲劳性能,进行了 T 型节点支管受拉、面内受弯及面外受弯的应力集中系数分析。基于矩形钢管混凝土 T 型节点受拉试验,设计了主管为矩形钢管、矩形钢管混凝土和PB L加劲型矩形钢管混凝土,支管为方钢管的T型节点受拉试件,并采用ABAQUS软件对其进行非线性有限元分析,其中主管钢管宽厚比为27,支主管宽度比为0．4。通过非线性有限元数值模拟,分析热点可能出现位置,并采用二次外推法计算得到支主管的应力集中系数。结果表明：PB L加劲型矩形钢管混凝土节点热点出现位置与矩形钢管节点和矩形钢管混凝土节点一致;与矩形钢管混凝土节点相比,PB L加劲型矩形钢管混凝土节点的应力集中系数显著降低,抗疲劳性能明显提高。     

牛腿外加强环—钢管煤矸石混凝土柱与钢梁节点的试验研究

目的 研究牛腿外加强环-钢管煤矸石混凝土柱与钢梁节点的抗震性能.方法 制作了钢管煤矸石混凝土柱与钢梁连接节点-牛腿外加强环节点,进行了低周反复荷载作用下的加载试验及理论分析.结果 试验测试了梁端的位移、转角及柱子、加强环、钢梁、牛腿各关键点的应变.分析了它们结构形式在一定轴压比下的滞回性能、破坏机理与破坏特征.计算出了延性系数为5.3、耗能比为0.891.结论 牛腿外加强环-钢管煤矸石混凝土柱与钢梁连接节点具有优越的抗震性能.     

海洋平台组合结构-钢连接节点轴压性能试验研究及有限元分析

为了解决不锈钢管中管钢管混凝土组合海洋平台上、下组块结构间连接可靠性的问题,在JZ20-2北高点井口平台的基础上,提出了过渡件连接、隔板加劲肋连接和法兰连接3种节点型式.为考察和比较这3种连接节点的轴压力学性能,设计制作了3个1∶4的缩尺模型试件并进行了静力试验.同时,利用有限元ABAQUS对节点进行了非线性分析.有限元和试验的结果表明:过渡件节点、隔板加劲肋节点和法兰节点均能满足海洋平台承载力的设计要求,其中,法兰节点承载力最高,隔板加劲肋节点延性最好.除法兰节点外,过渡件节点和隔板加劲肋节点破坏严重.试件破坏形态主要表现为过渡件、钢管、隔板和加劲肋的屈曲,而不锈钢管中管钢管混凝土外观完好,承载力仍有盈余.     

外压作用下深海腐蚀缺陷管道的屈曲失稳机理

为了研究外压作用下深海腐蚀缺陷管道的屈曲失稳机理,通过深海压力舱小比例模型试验,测得钢管试件发生屈曲失稳时的压力和变形形态. 利用有限元软件ABAQUS建立管道的三维数值模型,模拟外压作用下完好无损管道和腐蚀缺陷管道的准静态屈曲失稳过程,得到钢管的压力-直径变化曲线和变形形态,与试验结果吻合良好. 采用建立的数值模拟方法,分析管道长度、径厚比、初始椭圆率、钢材等级、钢材应变硬化特性和缺陷几何尺寸等因素对腐蚀缺陷管道屈曲失稳的影响. 结果表明,初始椭圆率、缺陷几何尺寸、钢材应变硬化特性是深海腐蚀缺陷管道标准化后失稳压力的主要影响因素,管道长度、径厚比、钢材等级对标准化后失稳压力的影响相对较小.     

薄壁外压容器临界失稳强度可靠度的研究

应用数理统计方法,对钢制薄壁外压球形封头临界失稳强度进行分析.基于临界失稳强度随机-载荷随机模型,以按我国标准设计与制造的钢制薄壁外压容器为研究对象,讨论了其临界失稳强度的可靠度.研究表明:1)薄壁外压球形封头临界失稳强度的实测值与理论预测值之比,是基本符合正态分布的随机变量.2)薄壁外压球形封头临界失稳强度的可靠度在保持外压差的外压试验时不小于0.933 81但不大于0.999 999 951 7,薄壁外压圆筒的可靠度不小于0.999 999 986 7但不大于0.999 999 998 217.3)薄壁外压球形封头临界失稳强度的可靠度在正常操作时不小于0.933 54但不大于0.999 999 951,薄壁外压圆筒的可靠度不小于0.999 999 997 72但不大于0.999 999 995 53.     

波浪腹板工形梁支承加劲肋设计方法研究

为解决波浪腹板工形梁支承加劲肋设计问题,进行了受力机理的研究,根据受力状态的不同对加劲肋进行分类,并采用ANSYS进行了有限元模型的数值分析;将波浪腹板对加劲肋的约束作用简化为等效约束长度的平腹板,将支承加劲肋转化为在腹板平面内失稳的轴压构件并计算其稳定性;通过参数分析,揭示了等效约束长度与腹板幅长比及腹板高厚比相关,进而建立了单侧与两侧约束情况下等效约束长度的计算公式。结果表明：与平腹板工形构件不同,波浪腹板工形构件的腹板面外刚度增大,但腹板沿构件轴向刚度变小,因而对加劲肋的面外约束不足,需要重新评估加劲肋在集中荷载作用下的稳定性计算;提出的波浪腹板工形梁支承加劲设计方法具有较好的安全性和经济性。