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[硕士论文] 杨庆兵
水利工程;港口、海岸及近海工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:钢筋混凝土桩基础作为建筑物重要承载构件,其承载能力直接影响建筑物稳定。钢筋混凝土构件在服役过程中,由于受到所处自然环境和长期循环荷载的作用,会逐渐呈现出材料劣化现象。主要表现为钢筋锈蚀和钢筋-砼界面粘结性能的弱化,这两种因素的共同作用将直接影响结构的正常使用和承载能力弱化。本文结合实际工程检测数据和有限元数值模拟分析,对内河环境下钢筋混凝土构件强度劣化进行了系统的研究。进行的主要工作和取得的成果有以下几点:
  (1)结合现场调研、理论分析及码头工程检测,研究了内河环境下钢筋混凝土构件强度劣化规律及影响因素。结果表明:内河环境下钢筋混凝土劣化主要表现在混凝土开裂与碳化,箍筋外露锈蚀,主筋锈蚀周围常见混凝土锈胀开裂;影响内河环境下构件劣化的主要因素为混凝土碳化导致的钢筋锈蚀以及循环荷载引起的钢筋-砼界面强度退化,海洋环境中的Cl-侵蚀导致的钢筋腐蚀作用微弱;混凝土的保护层厚度和碳化深度,是决定钢筋锈蚀程度最主要因素。
  (2)考虑锈胀开裂前后钢筋锈蚀速率的差异性,建立了适用于内河环境的钢筋锈蚀量预测数学模型。引入极限粘结强度降低系数,描述了锈蚀导致的钢筋-砼界面粘结强度退化与锈蚀率的关系,建立了锈蚀率与粘结性能参数的关系;分别考虑锈蚀及循环荷载引起的粘结强度弱化,建立了界面间粘结力与锈蚀率、循环荷载次数、滑移量的函数关系,得到了循环荷载作用下锈蚀钢筋混凝土界面粘结滑移模型。
  (3)基于锈蚀率与钢筋-混凝土界面粘结强度退化模型,开展了锈蚀钢筋混凝土桩的数值模拟分析。结果表明:随着锈蚀率的增大,钢筋与混凝土应变值相差变大,钢筋和混凝土协同工作能力降低;钢筋-混凝土界面滑移曲线在混凝土开裂前呈平滑状态,开裂后出现波动,波动幅度与最大滑移值随锈蚀率增大而增大;钢筋锈蚀率低于2.5%时,桩基的承载能力略微增大,增幅为1%,锈蚀率增大,桩基承载能力呈近似线性降低,在锈蚀率达到最大13.1%时承载能力下降6%。
  (4)基于循环荷载作用下锈蚀钢筋-混凝土界面粘结滑移模型,开展了钢筋混凝土桩的数值模拟分析。结果表明:循环荷载与锈蚀共同作用时,循环荷载次数增加,钢筋与砼之间的相对滑移呈微小增大、迅速增大、趋于平稳的三阶段发展趋势;相对于仅考虑锈蚀引起的构件承载能力退化,循环荷载和锈蚀共同作用时影响更为明显,且承载力随着循环荷载次数的增加下降更快,最大达到18%;同一循环荷载次数不同锈蚀率的条件下,桩基的承载能力变化不大,差值仅在2%~3%左右,表明锈蚀导致的承载力弱化远小于循环荷载对承载能力的弱化。
[硕士论文] 陈浩
水利工程;水工结构工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:混凝土在高持续荷载作用下表现出的徐变呈现非线性特征,对长期服役情况下混凝土结构安全性评价存在影响。由于受试验条件限制,以及非线性徐变自身的复杂性,混凝土的非线性徐变机理还需进一步研究。因此,本文采用了理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,研究了混凝土在高持续荷载作用下的非线性徐变特性,推导了考虑损伤的非线性徐变计算方法,建立了基于可靠度方法的非线性徐变对混凝土强度影响的模型。本文的主要工作内容包括以下几个方面:
  (1)通过三点弯曲非线性徐变试验,得到了混凝土在高持续荷载作用下徐变随时间的变化规律以及裂缝尖端处应变随时间的变化关系,分析了混凝土在高持续荷载作用下的徐变断裂特性。
  (2)通过单轴抗压非线性徐变试验,得到了混凝土在高持续荷载作用下徐变随时间的变化规律以及混凝土损伤大小随时问的演变情况,分析了混凝土在高持续荷载作用下徐变对损伤发展影响规律以及损伤对混凝土徐变的影响规律。
  (3)提出了一种计算混凝土非线性徐变中非线性系数的新方法,该方法不仅考虑了持荷水平对非线性系数的影响,同时考虑了非线性徐变中损伤对非线性系数的影响,应用这种新的计算方法能够较好的计算出不同强度等级的混凝土在不同持荷水平下的非线性系数。
  (4)基于规范中混凝土的本构关系,考虑不同持荷水平下混凝土材料的损伤大小,并考虑损伤徐变的耦合,推导了混凝土非线性徐变的计算方法,并通过该方法计算得到的值与试验值进行了对比分析。
  (5)应用ANSYS软件建立了基于可靠度方法的非线性徐变对混凝土强度影响的有限元模型,考虑材料强度的不均匀性,研究了混凝土结构在高持续荷载作用下强度变化规律,同时分析了混凝土在持续荷载作用下结构安全度的变化情况。
[硕士论文] 杨越
水利工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:为加快我国内河水运的发展,薄壁钢护筒与钢筋混凝土联合受力架空直立式这一新的码头结构形式逐渐被应用到实际工程中。在实际工程中,由于制造的偏差、轴心线的偏离、联系结构协同受力,以及上部堆载不均匀等因素使得绝大多数的组合构件处于偏心受压状态。目前对应用于码头结构的薄壁钢护筒-钢筋混凝土组合结构(RCFST)偏心受压承载性能的研究还未下定论。鉴于此,本文依托交通部运输部建设科技项目中关于“在役高桩码头结构整体安全性评估技术力学特性研究”中的部分研究内容,对薄壁钢护筒-钢筋混凝土联合受力构件进行单向偏心受压承载性能研究。本文主要研究内容和成果如下:
  1、对本次薄壁钢护筒-钢筋混凝土组合构件单向偏心受压的试验方案进行了设计:水工结构室内模型试验相似比尺原则、各材料的属性确定、加载方案及测点布置、试验开展流程、需要检测的内容及需要处理数据处理、材料统计、材料性能试验、试件制作、试件养护等。按照钢护筒及偏心率参数改变总共设计制作了5个模型柱及配套模板。
  2、通过对室内模型试验,对组合构件从加载到破坏进行全过程分析,考察了试件的破坏形态,讨论了各参数对组合构件承载性能的影响。结果表明:(1)钢护筒壁厚增大对组合构件承载性能的提高是由材料本身及对核心混凝土的约束作用产生,混凝土的脆性及变形受到抑制而使构件承载性能提高。(2)偏心率增大,组合构件极限承载能力减小,各材料弹性阶段占百分比越低,柱顶侧向和顶面混凝土受拉开裂程度越大,钢护筒的环向应变分布越不均衡。并在偏心率为0.25至0.5期间,存在一界限破坏值,使得受压混凝土压碎时,受拉钢筋刚好屈服,可为实际工程做出一定参考。
  3、为验证及深化对课题的研究,在室内模型试验基础上,采用有限元分析软件abaqus对模型试验进行数值模拟:定义材料本构模型及截面特性、施加载荷和边界条件、结果后处理等,并对数据分析总结。在此基础上按照扩展钢护筒及偏心率参数增设了13根模型柱进行模拟。模拟发现:(1)在理想状态下,仅增大组合构件钢护筒壁厚,构件的极限承载性能总体呈线性增长。(2)偏心率增大,组合构件由柱顶至柱底应变传递更深,极限承载能力时受拉面积随偏心率增大而越大。偏心率由0.45至0,单向偏心受压构件的承载性能提高的一阶导数增大。而偏心率由0.45至0.7,单向偏心受压构件的承载性能减小的一阶导数增大。
[硕士论文] 邓世琴
水利工程 重庆交通大学 2017(学位年度)
摘要:水工混凝土结构的工作应力直接反应了结构的健康状况,是水工建筑物安全性评价和加固改造的重要依据。混凝土工作应力的测试方法很多,其中最常使用的是应力释放法。现有研究和工程实践表明,应力释放法的操作难度高,测量误差大,很难真正运用到于实际工程中。因此,采用理论分析与实验研究相结合的方式,采用数字图像和应力释放法,分析现有方法的误差来源,在此基础上提出更准确、操作更便捷的混凝土工作应力测量方法。
  本研究主要内容包括:⑴利用Ansys有限元软件,建立开槽法测量混凝土工作应力的数值模型。分析试件尺寸、应变片长度和开槽形状等对测量实验结果的影响,在此基础上提出合理的开槽深度、应变片长度参数,为实验和工程实践提供参考。⑵利用Ansys有限元软件,建立环孔法测量混凝土工作应力的数值模型。分析试件尺寸、应变片长度、圆芯内圆面大小和环孔孔径尺寸等对测量结果的影响规律;在此基础上为实验中环孔径尺寸、应变片长度或圆芯内圆面尺寸的选取,提供理论支撑。⑶进行了带预制切槽、预制环孔的混凝土试件试验,采用数字图像技术测量试件加载的过程中,混凝土试件表面应变变化情况,分析不同开槽深度、不同荷载下应力释放情况,验证数字图像和应力释放法结合测量混凝土工作应力的可行性。⑷模拟混凝土结构实际工作情况,研究了试件切孔后应力释放情况。采用数字图像方法测量试件的开槽(钻孔)前后的应变,定量分析应力释放情况,研究本文提出的工作应力测量方法测量精度。
[硕士论文] 赵杰豪
水利工程 重庆交通大学 2017(学位年度)
摘要:钢管-钢筋混凝土复合桩是一种能够适应深水施工条件的桩基形式,它主要由外部嵌入岩层较浅的钢管和内部嵌入持力层较深的钢筋混凝土组成。钢管—钢筋混凝土复合桩在施工时,先在岩层上打入钢管,作为一种施工措施,再进行嵌岩桩的钻孔灌注,施工完成后钢护筒一般不拆除。由于缺少相关规范,在以往的设计与施工中钢护筒只作为一道施工工艺,不考虑其参与桩身受力。但在实际受力时,钢管会和内部钢筋混凝土联合受力。钢管—钢筋混凝土复合构件失效首先从界面或者节点的微弱损伤开始,因此对于研究钢管内表面与其内部钢筋混凝土外表面接触界面的力学特性显得尤为重要。
  本研究主要内容包括:⑴结合实验室实际情况,完成了模型设计,包括模型材料的确定、材料参数的确定、模型材料的换算、模型的制作、测点的布置及加载的设计。课题组采用一种特殊的钢管内表面与其内部钢筋混凝土外表面接触界面的相对滑移值的测量方法,成功测得相对滑移量的大小,并由此分析了相对滑移量随荷载的变化规律,钢管应变沿构件长度方向的分布规律,分析了粘结力的组成及其作用机理。对比分析了此种方法与传统的推出试验和推离试验的优缺点。⑵应用大型有限元软件采用接触单元模拟钢管-钢筋混凝土复合构件界面力学特性,开展了钢管-钢筋混凝土复合构件数值模拟分析。经过反复修改接触单元拟合实测试验数据,得到了能够准确反应模型试验实测结果的接触模型。⑶应用建立的接触模型验证了课题组同期同种结构相关试验构件的荷载-位移曲线关系,数值模拟与室内试验结果较为吻合,说明采用变刚度弹簧单元建立的界面模型能够反映钢管—钢筋混凝土复合构件界面力学特性,是开展钢管—钢筋混凝土复合构件界面力学特性分析的有效方法。
[硕士论文] 张祎
水利工程;水工结构工程 重庆交通大学 2017(学位年度)
摘要:山区河道城市化前溪流深切,城市化后天然河流与周边地块存在较大高差,设计从防洪、水生态等多目标出发,提出了适应山区城市的双层河道建设方案:上层明渠、下层暗涵。其中,下层暗涵河道在场平过程中深埋地下,维护、检修困难且事故后果严重,因此对其结构受力特性的掌握尤为重要,在设计阶段加以考量能有效降低其事故风险。回填场区的地形、渗透特性使得强降雨条件下涵周土体内地下水环境会发生剧烈变化,土体若长时间呈沁水饱和状态,对场区的构筑物极为不利,因此考虑将外水通过涵体透水通道导入下层河道向下游排出,此时结构将会遭遇地下水水位变化这一工况。现行规范通过载荷—结构方式计算水荷载时通常进行折减或采用可能的最大水位,而涵体受力实质是与渗流—应力双场耦合作用下的涵周土体共同变形的过程,因此,研究深埋地下框架结构在地下水位变化所产生的流固耦合效应作用下的受力特性具有重要的工程应用价值。本文依托工程实例建立了地下框架结构三维有限元模型,主要研究内容如下:
  (1)从基本理论有效应力原理和达西定律出发,推导了应力场、渗流场的控制方程:应力平衡方程和非稳定饱和渗流连续方程,并给出相应的定解条件。根据两场相互作用的的影响方式,得到了多孔介质土体渗流场应力场耦合的数学模型并给出了耦合状态下的有限元矩阵格式和求解方式。阐述了三维有限元模型建立过程中的要点,并依托实例工程地勘报告和相应土工实验成果给出模型参数。
  (2)模拟分层回填施工过程,其涵顶存在应力集中现象,此为深埋框架结构所特有的受荷形式;模拟水位下降固结过程,其有效应力的增长由产生明显水位降前(主要)、明显水位降落过程、涵侧水位降落过程三阶段阶段的孔压溢出、沉降差Δh产生的应力集中共同贡献,此时水位降幅快慢并不适用来衡量内力变化的趋势。固结排水过程使得沉降加剧、内力增大,结构受荷破坏的风险相应增大。
  (3)回填材料对涵体受荷以及内力响应影响较大的因子为弹性模量E以及渗透系数k,不考虑涵背回填、涵侧排水工程措施时,仅存在土石混合料的单参数作用下,场区回填料弹性模量Em越大、渗透量级较高时渗透系数km相对越小结构越有利;反之,引入涵背砂砾石回填料,其弹性模量Es、渗透系数ks,在多参数作用下,Em越小、Es越大、km大于并接近ks、ks越小时,对结构越有利,其中,在相同的变化量级范围内,Em比Es更敏感,ks比km更敏感。总体来说,在涵侧土体范围内采用相应工程措施能有效减小结构受荷及内力大小,且更为经济高效。
[硕士论文] 陆木秀
水利工程 重庆交通大学 2017(学位年度)
摘要:目前,国内外关于混凝土耐久性的研究成果显著,但在混凝土结构的安全检测与评价方面仍有待改进。无损检测技术作为一种经济、合理、简捷、高效的检测手段,经常应用于混凝土检测中。通过对冻融循环作用下的混凝土应力波传播特性进行研究,可为混凝土的耐久性研究提供参考,同时对水利工程的安全与运行具有十分重要的现实意义。
  本文通过室内冻融试验,对冻融循环作用下的混凝土弹性波波速、动弹性模量等进行测试,研究不同水灰比、引气剂掺量、冻融次数对弹性波波速、动弹性模量的影响规律,分析弹性波波速与动弹性模量之间的关系,建立混凝土冻融损伤模型。本文的主要研究内容及结论如下:
  1)采用冲击弹性波无损检测技术对冻融循环作用下混凝土试件的弹性波传播特性进行研究,分析不同水灰比、引气剂掺量及冻融循环次数时的混凝土试件的弹性波传播规律。试验结果表明:在未添加引气剂的试件中,随着冻融次数的增加,试件的弹性波波速都会减小;试件的水灰比越小,弹性波波速越大;水灰比越大,弹性波波速的下降速度越快。添加引气剂对混凝土试件的弹性波波速产生一定的影响,会使其弹性波波速减少,不过引气剂的添加也会让弹性波波速的衰减过程更为平缓,衰减幅度变小。
  2)通过对冻融循环作用后的混凝土试件的动弹性模量进行测试,研究水灰比、引气剂掺量以及冻融循环次数等因素对混凝土动弹模的影响规律。试验结果表明:随着冻融次数的增加,试件的动弹性模量均在减少;添加引气剂在一定程度上会引起混凝土试件动弹性模量的减少,但添加引气剂的混凝土试件的动弹性模量的衰减幅度较小,比未添加引气剂的混凝土试件的表现更为稳定。
  3)通过分析冻融循环作用下混凝土动弹性模量与弹性波传播特性参数之间的联系,建立冻融循环作用下的混凝土耐久性检测模型,为混凝土的冻融研究提供新的检测方法。对试验中的8组试件的弹性波波速与动弹性模量进行函数拟合,发现幂函数拟合效果较好。分别以动弹性模量、弹性波波速为损伤因子确定混凝土冻融损伤度,分析混凝土冻融破坏程度。
  4)利用相对动弹性模量以及质量损失率作为混凝土是否发生破坏的判断依据,结合试验成果分析混凝土的冻融破坏情况。
[硕士论文] 张淼
水利工程 重庆交通大学 2017(学位年度)
摘要:水库库岸边坡失稳在全世界范围内屡见不鲜,其稳定性状态与库水位升降有很大的关系。目前现有的研究成果大多是针对天然边坡,而以人工边坡为对象的稳定性变化机理研究成果相对较少。在库水位升降以及后续地下水浸润线变化的全过程中,人工岸坡的稳定性变化机理同样也是工程师们重点关注的课题。本文在分析前人研究成果的基础上,以粘性素填土质人工岸坡为例,采用理论分析、室内试验和数值模拟相结合的方法,试图找出影响岸坡稳定性的因素,得出水对土体抗剪强度的影响机理,据此再进行库水位上升和下降及后续渗流全过程条件下的岸坡数值模拟。通过数值模拟分析了水位上升和下降全过程中岸坡的大致渗流情况、岸坡土体所受剪应力、孔隙水压力和稳定性安全系数的变化情况,最后尝试归纳了水位升降条件下粘性素填土质人工岸坡稳定性变化的机理。
  本研究主要内容包括:⑴土体的粘聚力c呈现出随着土体含水率w的增大而减小的趋势,减小的速率较为稳定。在含水率增大到某一值后,粘聚力的值趋于稳定,不再随含水率变化而改变。土体的内摩擦角ψ总体上也呈现出随着土体含水率w的增大而减小的趋势,但在含水率增大的某些区间里内摩擦角ψ会随着含水率增大而增大。⑵通过数值模拟分析了岸坡在水位升降全过程中的渗流情况,并总结出引起岸坡渗流的根本性因素有二,其一是岸坡外水位与岸坡地下水水位之差所具有的位置势能,其二,因为库水位升降导致岸坡土体所受应力变化,从而使土体体积改变或者有改变的趋势,所以产生了超静孔隙水压力,可以视为压力势能。岸坡渗流的情况是这两个因素共同作用的反映。⑶在水位上升过程中,岸坡土体所受最大剪应力值总体上呈现出先减小后趋于稳定的趋势;在水位下降过程中,岸坡土体所受最大剪应力值总体上呈现出先减小后增大,最后趋于稳定的趋势。⑷在库水位上升和库水位下降阶段,岸坡饱和土体区域的孔隙水压力整体都在增大;在之后的地下水浸润线变化阶段,岸坡饱和土体区域的孔隙水压力值都呈现出空间上均匀化分布的趋势。
[硕士论文] 刘楠楠
水利工程 重庆交通大学 2017(学位年度)
摘要:由边坡失稳造成的灾害已成为全球性地质灾害,给世界各国造成的经济损失每年可达数十亿美元。水利工程边坡一般为天然边坡,岩土体性质具有非均质性。非均质会影响利用传统方法得到的边坡稳定性分析及失稳风险评估结果。与传统的边坡施工风险源(如施工方法、人员素质等)不同,岩土体非均质特性及参数的空间变异性等对边坡失稳风险的影响未受到足够的重视。为了提高水利工程高边坡失稳风险评估的精确度,本文依托重庆市科委基础科学与前沿重点项目“三峡库区典型节理化岩质高边坡的灾变机理及稳定性动态评价方法”(cstc2015jcyjBX0039),开展非均质边坡的稳定性研究。
  本研究主要内容包括:⑴分析了边坡岩土体参数不确定性和空间变异性的来源,研究了如何利用参数分布函数、自相关性和互相关性等生成参数随机场,提出了基于蒙特卡洛模拟的边坡失稳概率统计方法。以一维无限长坡为例,探索了强度参数随机性对边坡安全系数统计规律的影响。结果表明一维无限长坡失稳概率与参数方差、均值、相关尺度、互相关系数等有关。非均质边坡的潜在滑动面不一定是基岩面,滑动面位置出现的频次随深度的增加而增加。⑵阐述了边坡稳定性二维分析的强度折减法原理,利用提出的随机场生成方法,分析了不同随机参数场条件下的边坡稳定性,揭示了边坡失稳的统计规律与参数相关尺度、方差、各向异性等的关系,提出了考虑失稳概率的边坡风险等级划分方法,阐述了基于边坡风险等级的风险管理措施。研究结果表明参数的空间变异性对边坡系数和失稳潜在滑面位置等都有影响,且参数自相关性越高,边坡失稳概率也越高;相同条件下,水平成层状岩土体边坡发生失稳破坏的风险较竖直向成层岩土体边坡失稳风险高。⑶采用极限平衡法与强度折减法研究了高陡岩石边坡在确定性参数条件下的稳定性,计算并对比了不同工况条件下的安全系数。研究结果表明参数不确定性会造成边坡安全系数的离散和边坡潜在滑动面的分布。参数非均质的描述精度会影响边坡稳定性分析结果的精确性,从而影响边坡稳定的判断。在给定的参数空间变异条件下,本工程边坡的失稳风险较高,应该在边坡开挖、施工以及后期的运营管理过程中做好相关的防护工作。
[硕士论文] 张钧堂
水利工程;水工结构工程 重庆交通大学 2017(学位年度)
摘要:黏土具有良好的抗渗性、较高的强度等优点,在土质心墙堆石坝中常被用作心墙填料。心墙是土石坝的防渗体,其抗裂性能对大坝安全具有极其重要的意义,随着高心墙坝的兴起,黏土心墙的裂缝问题受到更多的关注。本文依托国家自然科学基金面上项目(编号:51479012)和重庆市研究生科研创新基金(编号:CYS16180),从断裂力学角度出发,在总结传统断裂相关试验方法基础上,结合断裂力学理论开展了适用于压实黏土的二维断裂试验方法研究。并采用离散元PFC数值方法进行了压实黏土的二维断裂的数值仿真试验,分别从宏细观层面研究了压实黏土在拉伸、剪切、拉剪、压剪应力状态下的断裂特性。具体研究内容和结论如下:
  (1)从试样结构形式、加载方式、监测手段等方面入手,设计了适用于压实黏土的二维断裂试验装置。试验试样采用单边裂缝长方体试样,加载设备采用WDW-100微机伺服控制电子万能材料试验机,采用VIC-3D非接触全场应变测量系统进行断裂过程中试样裂缝的扩展过程、张开位移等监测。根据二维断裂中拉伸、剪切、拉剪和压剪四种应力状态下的裂纹尖端受力状态,分析了四种应力状态下的应力强度因子。
  (2)对PFC中线性接触模型中的细观参数进行敏感性分析,研究了线性接触模型中的细观参数对宏观力学特性的影响。采用GDS动三轴试验系统进行黏土的固结排水三轴试验,获得了黏土的宏观物理力学参数。参照细观参数与宏观力学特性间的关系,采用PFC双轴数值试验进行了细观参数标定,得到了与黏土宏观物理力学参数吻合较好的线性接触模型的PFC细观参数。
  (3)基于二维断裂试验方法,建立了相应的拉伸断裂PFC数值模型和剪切断裂PFC数值模型。采用离散元数值方法,研究了拉伸断裂和剪切断裂两种基本断裂形式的断裂破坏过程,分析了初始裂缝长度、初始裂缝宽度、加载速率以及试样尺寸等因素对两种基本断裂形式的宏观断裂特性、裂缝扩展过程及断裂破坏形态的影响。
  (4)基于二维断裂试验方法,建立了相应的拉剪断裂PFC数值模型和压剪断裂PFC数值模型。采用离散元数值方法,研究了这两种复合断裂形式的断裂破坏过程,分析了加载角度、初始裂缝长度、加载速率等因素对两种复合断裂形式宏观断裂特性、裂缝扩展过程及断裂破坏形态的影响。
[硕士论文] 孙兴兰
水利工程 河北工程大学 2017(学位年度)
摘要:拱坝是三面固接于岩基上的超静定空间结构,其稳定性和安全性主要依赖于坝体应力的安全性以及坝肩的稳定性。目前,我国大部分的拱坝都是在上世纪建造完成,距今也有几十年的时间,现在很多拱坝已经进入老龄化并出现了病险情况,尤其小型拱坝出现的病险情况尤为严重。近年来随着病险拱坝数量的增多,现役拱坝的稳定性以及安全性越来越引起大家的广泛重视。
  本文利用有限元软件ANSYS workbench针对某小型水库不对称拱坝在正常蓄水位、设计洪水位以及校核洪水位三种工况下的稳定性和安全性进行了数值模拟,并对拱坝拱端推力对左端重力坝影响进行了分析,以确定该拱坝在稳定性和安全性方面是否存在安全隐患。与普通拱坝稳定性分析不同的是该拱坝的左、右两肩受力条件不对称,由于受不规则的“V”字形河谷断面的限制,拱坝的右端直接与岩体连接,左端与重力坝连接。左端重力坝除受到自身重力、上游水压力之外在坝体右侧还要受到拱端推力,这使其与普通的重力坝有所不同。经过对拱坝三种工况的模拟计算与分析,最终得出结果为:拱坝以及左端重力坝在三种工况下的最大变形只有9.5mm,属于小变形;拱坝的最大拉应力为1.3MPa,小于规范的容许值1.5 MPa,满足强度要求;最大压应力都小于混凝土的容许抗压值,满足强度的要求;拱坝坝肩以及重力坝安全系数最小值均在2.7以上,满足稳定性要求。数值模拟结果显示:该拱坝在使用多年后在强度方面、稳定性和安全性方面满足要求。
[硕士论文] 刘娅玲
水利水电工程 广西大学 2017(学位年度)
摘要:型钢混凝土闸墩是一种新提出的闸墩结构,以型钢代替常规钢筋混凝土闸墩中的扇形钢筋。从之前的研究中发现其与常规钢筋混凝土闸墩相比,承载力显著加大,更适用于高水头、大推力闸墩,而与预应力闸墩相比其施工更为简便,具有较大的工程应用价值。型钢混凝土结构的力学性能与其配钢量和配钢形式有着密切的关系,因此研究型钢混凝土闸墩的合理配钢量和配钢形式,探索其配钢量的计算方法,可以为促进型钢混凝土闸墩在水利水电工程的应用提供理论指导。
  本文参照弧形闸门钢筋混凝土闸墩扇形钢筋配筋公式提出了含待定系数的型钢混凝土闸墩配钢量计算公式。通过建立具有代表性的中等厚度型钢混凝土闸墩模型,对不同配钢量下的闸墩从位移、应力、裂缝分布以及承载能力进行分析,得出闸墩的合理配钢量,并由此确定待定系数的取值。同时,参考型钢混凝土柱中含钢量的定义,提出了型钢混凝土闸墩中截面含钢量定义,根据求得的合理配钢量进一步推导出中等厚度型钢混凝土闸墩的截面含钢量取值范围。初步建立了配钢量与闸墩所受推力以及闸墩和弧门支座的尺寸的联系。
  通过研究结果表明:
  (1)对同一型钢布置型式,在各个荷载工况下,当配钢量在一定范围内时,随着配钢量的增大,闸墩的拉应力和位移值以及型钢的拉应力和位移值都在逐渐减小,闸墩的拉应力分布范围减小,闸墩结构的抗裂性能和承载能力逐渐提高,结构刚度和延性增大。
  (2)对称荷载作用下,对于中等厚度的型钢混凝土闸墩,当闸墩中的型钢为单型钢布置时,闸墩配钢计算公式中待定系数ψ1的建议取值范围为1.2≤ψ1≤1.4,所需配钢量大于钢筋混凝土闸墩中的钢筋;当闸墩中的型钢为三型钢布置时,系数ψ1的建议取值范围为0.8≤ψ1≤1.0,所需配钢量小于钢筋混凝土闸墩中的钢筋。
  (3)非对称荷载作用下,对于中等厚度的型钢混凝土闸墩,当闸墩中的型钢为单型钢布置时,闸墩配钢计算公式中待定系数ψ2的建议取值范围为1.3≤ψ2≤1.4,所需配钢量大于钢筋混凝土闸墩中的钢筋;当闸墩中的型钢为三型钢布置时,系数ψ2的建议取值范围为0.7≤ψ2≤0.9,所需配钢量小于钢筋混凝土闸墩中的钢筋。
  (4)对称荷载作用下,中等厚度型钢混凝土闸墩的截面含钢量的建议取值范围为0.6%≤ρa≤1%;非对称荷载作用下,截面含钢量的建议取值范围为0.7%≤ρa≤1.3%。综合考虑,中等厚度的型钢混凝土闸墩,其截面配钢量的取值参考范围为0.6%≤ρa≤1.3%。
  (5)在相同的弧门推力作用下,与单型钢布置的型钢混凝土闸墩相比,三型钢混凝土闸墩所需的配钢量更少,更加经济;而在相同的配钢量下,三型钢混凝土闸墩比单型钢混凝土闸墩的受力性能更好,承载能力更大,因而在实际使用中,建议采用三型钢混凝土闸墩。
[硕士论文] 郑志强
水利工程 三峡大学 2017(学位年度)
摘要:本文针对坝后背管外包混凝土的裂缝宽度计算问题,根据坝后背管的承载特点设计开展配筋混凝土试件的轴向拉伸试验,研究混凝土配筋条件下的拉伸塑性-损伤关系曲线,同时经相关分析研究得到钢筋混凝土裂缝宽度有限元计算方法,将前两项研究成果应用于配筋混凝土轴拉试验和坝后背管的数值模拟和裂缝宽度计算,并与原模型试验成果进行对比分析。本文主要研究内容如下:
  1.推导了适用于钢筋混凝土结构裂缝宽度计算的有限元计算方法。
  2.以配筋混凝土轴拉试验试件为研究对象,采用有限元方法,对三组配筋混凝土轴拉试验进行全尺寸数值模拟,并将数值分析所得相关试件的开裂荷载、开裂范围、钢筋应力与相应的模型试验进行对比,同时,重点分析三组试件在各级荷载作用下裂缝宽度有限元方法计算值、规范公式计算值和模型试验实测值之前的关系,验证该有限元分析方法和裂缝宽度计算方法的准确性与合理性。
  3.结合实际工程,以三峡水电站坝后背管的大比尺室内模型为对象,对模型进行塑性损伤分析,研究外围混凝土的开裂荷载、开裂范围、钢材应力以及模型变位,并将数值分析所得成果与原模型试验成果进行对比分析,重点研究管道外包混凝土在设计内水压力作用下外包混凝土裂缝宽度有限元方法计算值、规范公式计算值和模型实测值之间的关系,为坝后背管裂缝宽度的计算方法提供一种新的计算模式。
[硕士论文] 李学斌
水利工程 三峡大学 2017(学位年度)
摘要:降雨、特别是强降雨是诱发边坡失稳的常见而重要的因素之一。降雨入渗数值模拟为边坡稳定性评价提供基础,以往研究边坡降雨入渗时多采用单相流理论,即只考虑水的入渗。实际上土体是固体、液体、气体的三相多孔隙结构,降雨入渗过程是涉及水和气体的二相流流动过程,因此降雨、特别是大暴雨工况下土体孔隙中水气二相流的入渗及边坡稳定性具有重要研究意义。主要研究内容包括:
  (1)总结了前人在单相流和二相流及边坡降雨入渗分析中的成果与不足。介绍了基于 Richards方程的非饱和渗流模型、基于水气两相流理论的渗流控制方程并推导了该方程的有限元格式。
  (2)在单相流和多相流理论基础上,通过设定粘土和砂土的不同水气渗透特性曲线,借助Geostudio软件中Seep/w程序和Air/w程序完成二维边坡在不同雨强下入渗模拟,并且对比运用单相流理论和二相流理论计算结果的差异,得出在小雨强作用条件下,运用单相流理论和二相流理论计算的渗流场无明显差别,在大雨强作用条件下,单相流理论和二相流理论计算的渗流场差异明显,气相对降雨入渗有阻碍作用。
  (3)基于刚体极限平衡法和有限单元法,借助 Geostudio中 Sigma/w程序和Slope/W程序分别模拟计算了不同工况下边坡安全系数。结果显示,在大雨强工况下,单相流理论和二相流理论计算的粘土土质边坡安全系数差值最大达到10.77%,砂土土质边坡安全系数最大差值达到8.36%。
[硕士论文] 万光义
水利工程 三峡大学 2017(学位年度)
摘要:中孔下游悬臂闸墩是拱坝坝体结构的重要组成部分,不仅收缩水流,方便水流控制,且作为支撑大梁的附着结构,承担弧形闸门传递的巨大水推力,但由于受到溢流宽度的限制,闸墩断面尺寸不可能设计过大,导致在整个混凝土闸墩墙面上形成大面积的拉应力区,尤其是闸室边墙与下游坝面接触部位处容易出现应力集中,而混凝土是一种抗压不抗拉的脆性材料,使得拱坝中孔下游悬臂闸墩上存在较大的开裂风险。
  开裂的混凝土拱坝中孔下游悬臂闸墩,会使得闸墩钢筋暴露在空气中,与潮湿空气接触,导致钢筋锈蚀,降低钢筋的承载能力,同时也会引起拱坝中孔下游悬臂闸墩产生过大的变形,造成弧形闸门无法正常启闭,危害大坝安全。因此,本文以拱坝中孔下游悬臂闸墩开裂为研究对象,对开裂成因进行分析。主要研究内容如下:
  (1)建立某实际工程的带孔口拱坝三维有限元模型,应用Abaqus有限元计算软件,分析各个工况下大坝在自重荷载、预应力、水荷载、淤沙压力与温度荷载作用下所产生的结构应力与位移,根据拱坝中孔下游悬臂闸墩的应力分析选出了校核洪水位的温升工况最不利荷载组合工况,并利用子模型有限单元法与常规有限单元法进行对比分析,排除网格的划分对计算结果的影响。该分析为考虑混凝土计算力学参数对闸墩开裂的影响选择合适的计算工况做铺垫。
  (2)考虑到拱坝中孔闸墩是复杂的钢筋混凝土结构,且在运行期长期受到外部环境的影响,闸墩混凝土的等效弹性模量和容重很难确定。本文拟定0.6E0~1.4E0以及0.6G0~1.4G0,利用非线性有限单元法,计算最不利荷载组合工况条件下拱坝中孔下游悬臂闸墩的最大拉应力和等效竖向应变以及位移,对比分析得到等效弹性模量和容重的不确定性对拱坝中孔下游悬臂闸墩开裂的影响较小,不能作为拱坝中孔下游悬臂闸墩开裂的主要原因。
  (3)温度应力一直是影响混凝土开裂的重要因素,本文建立了高温季节库底冷水下泄的温度场仿真模型,计算得到该条件下中孔闸墩的温度分布情况,并通过回代至应力场计算,得到拱坝中孔下游悬臂闸墩的应力以及等效塑性应变,发现混凝土有较为明显的塑性屈服区域,与实际开裂的部位较为相符,可以判断高温季节冷水下泄是导致拱坝中孔下游悬臂闸墩开裂的主要原因。
  通过上述研究,明确了拱坝中孔下游悬臂闸墩与下游坝面接触部位附近,产生贯穿裂缝的主要原因,为开裂闸墩提出有针对性的加固措施和为在建或待建拱坝中孔下游悬臂闸墩运行期防裂提供一定参考。
[硕士论文] 刘文剑
水利工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:水库的启闭塔是一种体型结构、边界条件和受力状况较为复杂的水工建筑物,一般采用钢筋混凝土框架结构或薄壁空腹箱形结构,建在靠近坝坡或岸边的水库中,顶部通过工作桥与坝顶或岸坡连接,塔体处于水体包围之中。一旦启闭塔遭到破坏不能正常取水,将直接影响水库的供水等功能,这将对居民的生产生活造成巨大影响。启闭塔一般为高耸结构,其在地震作用下的安全非常重要。
  本文系统地介绍了启闭塔静动力分析的发展现状,结构静动力分析理论、有限元方法和ANSYS的应用实现,总结了启闭塔的合理计算方法和应力应变分布的一般规律。
  本文结合某水库启闭塔工程实例,利用大型三维有限元分析软件ANSYS建立有限元计算模型,对该启闭塔进行数值仿真模拟计算,并进行了具体的自振特性、应力与变形分析。通过ANSYS的前后处理器的功能,不仅完成了启闭塔实体模型的建立及有限元离散化,还模拟计算了启闭塔在地震荷载作用下的整体动位移及应力应变,得到各个工况下塔体结构节点的位移及应力的时间历程变化曲线。
  综合考虑各种因素,动力方面完成了结构动力特性分析,探讨了启闭塔整体结构自振特性。釆用时程分析方法对启闭塔进行了抗震计算,分析了启闭塔在垂直水流方向、顺水流方向和竖向地震共同作用下的地震反应,评价了该结构的抗震性能,并与静荷载作用下的计算结果叠加后对启闭塔结构的抗震性能进行了评价。最后,依据规范采用分项系数法分别对启闭塔的抗滑稳定性、抗倾覆稳定性以及地基承载力进行了校核验算,结果表明,各项安全系数满足规范要求,结构设计是合理和安全的。
[硕士论文] 朱良才
水利工程 三峡大学 2017(学位年度)
摘要:本文鉴于钢衬钢筋混凝土压力管道后期运行暴露出的裂缝问题,设计钢筋混凝土轴心拉伸试验,对混凝土裂缝生发过程及裂缝宽度等进行研究,着重研究裂缝宽度与钢筋应力之间的相互关系。在此基础上对《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-2009)中裂缝宽度计算公式提出改进建议,构建适用于钢衬钢筋混凝土压力管道的裂缝宽度计算公式。基于改进的裂缝宽度计算公式,采用非线性有限元法对管道结构开展限裂配筋研究。主要研究内容和方法如下:
  1.基于钢衬钢筋混凝土压力管道的结构特点及受力特征,设计混凝土大保护层厚度、特定配筋率的钢筋混凝土试件,确定试件形式、夹持方式、试验批次。针对试验过程,提出试件成型、钢筋及试件处理方法。根据试验要求,确定加载方式,选取试验机及数据采集系统。针对试验难点:偏心问题、应变片粘贴精度及应变采集问题、裂缝处钢筋应变的测量问题,提出解决方案。测取钢筋混凝土试件的钢筋应力、裂缝间距、裂缝宽度等试验数据。
  2.对钢筋混凝土试件轴心拉伸试验现象进行详细描述,研究不同钢筋直径对混凝土开裂荷载的影响,分析钢筋混凝土试件的裂缝开展过程;探讨钢筋应力与裂缝宽度之间的关系,比较分析不同混凝土保护层厚度、配筋参数对裂缝宽度的影响规律。
  3.将试验结果与现行规范裂缝宽度计算公式计算结果进行对比。对裂缝平均间距,裂缝平均宽度和最大裂缝宽度的影响因素进行分析,结合试验成果对《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-2009)中的裂缝宽度计算公式提出改进建议。
  4.以某水电站钢衬钢筋混凝土压力管道模型试验为背景,采用三维数值模拟方法,研究管道外围混凝土的开裂过程及管道结构的承载性能,并基于改进后的裂缝宽度计算公式,对钢衬钢筋混凝土压力管道开展限裂配筋研究。
[硕士论文] 张驰
矿业工程 重庆大学 2017(学位年度)
摘要:尾矿库作为金属矿山生产过程中的重要设施,确保其运行稳定不仅关系到矿山正常生产,而且涉及到库区下游居民生命与财产安全。而当前,国内外矿山因尾矿库溃坝造成的安全事故时有发生。因此,尾矿库的安全运行一直受政府监督部门及矿山企业所关注。
  本文以云南临沧矿业公司拟建的新水村尾矿库为研究对象,采用理论分析、室内试验与数值模拟相结合的综合性研究方法,对该尾矿坝的静、动力稳定性进行了系统的分析与研究,为该尾矿库的设计、施工和生产管理提供技术支撑。本文的主要研究内容及取得的成果如下:
  ①根据尾矿库的勘察和初步设计资料,采用堆坝物理模型(比尺为1:150)试验,演绎了该尾矿库的堆坝过程,获得了尾矿在干滩面上的沉积规律,尾矿坝的结构组成及浸润线的埋深与变化特点。
  ②对堆坝模型试验得到的组成尾矿坝的三种尾矿(尾中砂、尾粉砂、尾粉质黏土)的物理力学性质进行了试验测试,获得了三种尾矿的颗粒级配、渗透系数、抗剪强度参数、压缩系数等物理力学指标。分析了三种尾矿在不同围压和不同固结比下的动强度与振次关系、动弹性模量和阻尼比与动应变的关系等,获得了三种尾矿的动力学特性参数。
  ③采用极限平衡法(瑞典圆弧法、简化Bishop法),按照国家技术规范对尾矿坝的静、动力稳定性进行了计算,获得了尾矿坝不同坝高时在三种工况(正常、洪水、特殊)下的安全系数,并对安全系数未满足规范要求的情况,提出了相应的加固措施。
  ④采用时程法对尾矿坝在不同坝高和不同工况条件下的动力抗震稳定性进行了分析,获得了不同条件下尾矿坝在地震作用下的加速度反应、剪应力比分布、液化范围、永久变形和安全系数时程变化规律等,并对不同条件下坝体的地震反应特征进行了对比分析。
[硕士论文] 张田甜
水利工程 三峡大学 2017(学位年度)
摘要:钢筋石笼是截流、堵口和护岸工程中常使用的一种人工材料,探索钢筋石笼的稳定性机理对指导其合理应用具有重要的意义。本文主要考虑空隙率对钢筋石笼稳定性的影响,针对不同形状及不同空隙率的钢筋石笼进行了起动试验,对块体抗冲流速经典公式进行了补充和完善。[53]最终得到了考虑钢筋石笼的体积、形状、空隙率的钢筋石笼起动流速计算公式,经试验验证该公式具有较好的计算精度,具有较好的应用价值。通过建立数值模型计算,研究了钢筋石笼的形状和空隙率对其周围的流速分布、压力场和紊动能的影响,并对钢筋石笼的稳定性机理进行了分析,探讨空隙率对拖曳力系数CD的影响,得出了不同空隙率的钢筋石笼的起动流速与其质量的关系曲线,对工程实际有一定指导意义。总体得出以下结论:
  1)不同形状和大小的钢筋石笼的综合稳定系数随其空隙率的增大而增大的规律相似;形状相同的钢筋石笼,体积较大的,综合稳定系数也较大。
  2)钢筋石笼的起动流速与其空隙率系数N成正比,N与钢筋石笼的空隙率n及形状有关,如:
  N=2n(钢筋石笼为正六面体)
  nN=1.7(钢筋石笼为正四面体)
  nN=2.1(钢筋石笼为圆台型)
  3)数值计算表明,动水中钢筋石笼一般空隙率越大,钢筋石笼紊动能越小;而其迎水面所受动水压强减小,稳定性增加。
  4)钢筋石笼的形状,对速度场云图、紊动能以及迎水面中心点处动水压强也有影响。正四面体相对于其他形状的石笼,对后部流态影响更大,流态更加复杂,且因正四面体为锐缘角,紊动能最大;迎水面中心处所受动水压力是最小。
  5)空隙率会对拖曳力系数C D产生影响,随着空隙率的增大,拖曳力系数减小。具体的空隙率n与拖曳力系数CD的关系由MATLAB拟合得出0.3Cd0.9n。
  6)在同一起动流速,钢筋石笼空隙率越大,所需的质量越小;也即,相同质量的钢筋石笼,空隙率越大,能够抵抗的流速越大,越稳定。
[硕士论文] 王冉
建筑与土木工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着我国水利事业的大力发展,渡槽结构得到了广泛的使用,其结构跨度越来越大,在跨越山区河谷地区发挥了重要的作用。正在修建的黔中水利枢纽一期工程中,徐家湾渡槽采用高墩大跨连续刚构结构型式,在国内外同类工程中形式新颖,技术指标位居世界前列,槽身采用上下双室叠箱变截面形式,受力复杂。目前高墩大跨度连续刚构渡槽抗震设计主要还是参照桥梁抗震规范进行,因此,有必要对高墩大跨连续刚构渡槽地震响应进行分析研究,以此来指导渡槽的抗震设计,保障大型渡槽的结构安全与运营安全。
  本文以黔中水利枢纽徐家湾连续刚构渡槽为研究对象,进行了高墩大跨度连续刚构叠箱渡槽的静动力分析,主要研究内容和成果如下:
  (1)借鉴国内外先进的结构模拟计算方法,研究了高墩大跨度连续刚构叠箱渡槽结构分析时单元选择、边界条件处理、网格尺寸控制、水体模拟方式等问题,建立了徐家湾渡槽数值计算模型;并结合渡槽的充水试验结果,将静力分析得到的槽身整体位移计算值与实测值作对比,验证所建立计算模型的合理性和准确性。
  (2)对渡槽进行了动力特性分析,获取渡槽振动频率、振型及累计振型参与质量系数等资料。分析发现渡槽结构振型以横槽向振型为主,说明横槽向较纵向和竖向的刚度小。因此在地震作用下,横槽向的刚度和强度将对渡槽的抗震能力和承载能力起决定作用。
  (3)基于任意拉格朗日欧拉法理论考虑流固耦合作用,研究了单墩局部渡槽的地震响应,对流体引起结构响应时程的变化进行了模拟分析。渡槽结构的响应峰值随槽身增高而增大,随渡槽槽内水深的增加而减小,水体晃动对于单墩局部渡槽结构的位移和速度响应具有一定的减震作用。
  (4)在单墩局部渡槽流固耦合响应时程分析的基础上,对四跨连续渡槽结构进行考虑流固耦合下的地震分析。在不同地震波激励下,连续刚构渡槽不同位置的响应随水深增加的变化规律不尽相同,不能以单墩局部渡槽的研究结果推断流固耦合对整体渡槽响应的影响,且研究不同地震波对流固耦合的影响很有必要;对对称不等高墩连续刚构渡槽而言,在刚度相对薄弱的墩截面处,流体的存在对结构有利,在刚度相对强的墩截面处,可能存在一个水深Hw的临界数值,当Hw大于临界数值时,流体与固体的相互作用会降低渡槽的地震响应。
  通过以上分析,得到渡槽整体的最不利荷载工况、最大位移及位置、结构薄弱环节及其支撑处最大主应力、最大剪应力,为工程设计和建造提供了技术依据和参考。
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