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地下埋藏式压力钢管强度分析的改进方法

发布于:2016-03-15 19:12
强度分析

      地下埋藏式压力钢管广泛应用于大中型水电站和抽水蓄能电站,目前电站规模越来越大,钢管的HD值超过了规范值,规范建议的方法不能反映材料的实际承载能力,已越来越难以适应现代大中型水电站建设的需要。
      因此,本研究探讨了一种能够充分发挥材料的实际承载能力的地下埋藏式压力钢管强度分析方法,用它来进行管道设计既安全可靠又经济合理,且具有一定的工程实用价值。地下埋藏式压力钢管在长度方向的尺寸比横截面尺寸大得多,地应力变化不太大,当围岩的结构面垂直管轴线方向分布及不考虑开挖掘进的影响时,可采用平面变形假定。当两洞间距大于3倍洞径以上,各洞之间相互影响较小时,可以作为单洞考虑。本研究在假定条件下且钢衬应力按规范的建议取值,在考虑钢衬各种应力效应的条件下用罚单元法,编制了非线性有限元分析程序,结合某实际工程,通过方案比较,揭示了初始地应力及开挖支护引起的二次应力以及在内水压力作用下钢衬的弯曲剪切效应对地下埋藏式压力钢管承载能力的影响。
      开挖效果的模拟采用邓肯(Dancan JM)等人提出的反转应力释放法,根据文献可以近似考虑开挖面空间效应:假定开挖面处因开挖面的空间效应在任一时刻释放了某种比例的释放力P,当开挖面向前推进至x处,该研究截面释放出另一比例的释放力P2,于是,在距开挖面之后x处,总的释放荷载为式中,Pi,Pg(g为重力加速度)可根据现场资料确定。在缺乏实测资料时,可根据文献的三维弹塑性有限元分析结果,取其中,Po为初始地应力。这样,只要给定研究截面与开挖面的距离x,就可以从上式中算出围岩已释放的荷载P(x)(在这一部分荷载作用下按无支护分析),剩余的荷载Po-P(x)在支护施作后释放(按已完成支护来分析)。
      在程序的具体实现中,将总反转荷载分为若干增量步逐步加载,当累计的荷载小于P(x)时,令喷混凝土及锚杆单元的弹模为一个很小值,即不考虑支护的作用,当累计荷载大于或等于P时,令上述单元取正常的弹模值,重新形成新的刚度矩阵,以反映锚杯支护的作用。同济大学曾对收集的国内外新奥法施工的61条隧洞的197个量测断面的数据资料进行计算分析,归纳提出了以围岩强度、围岩极限应变和围岩向洞内收敛位移速率及收敛比第三个判据是围岩稳定的基本判据。
      研究采用的是围岩强度判据,围岩稳定判据的理论是强度破坏理论,如德鲁克-普拉格准则或莫尔-库仑准则等,即在低约束压的条件下,当岩体内某斜截面的剪应力值超过破坏理论规定的滑动界限范围时,岩体就会发生剪切屈服破坏。因此,如果将有限元数值分析结果绘制成图线,根据围岩在洞室开挖成形24小时后的主应力分布和塑性区分布(锚杆的长度要与塑性区的大小相配合度),按以往设计、施工经验,可以定性地判断围岩的受力形态和破坏机理。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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