基于ANSYS的鋼筋混凝土倒虹吸非線性有限元分析及優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、倒虹吸管作為應(yīng)用廣泛的交叉工程和重要的隱蔽工程，在國際上素有生命線工程之稱，其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形與外形尺寸、填土厚度、填土性質(zhì)、初始邊界條件等因素之間存在著復雜的相互作用，而且除滿足正常輸水要求外，對結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計也十分必要。因此，為保證整個結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定、安全和經(jīng)濟性，對倒虹吸結(jié)構(gòu)和周圍土體進行合理的分析和計算，進而對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計就顯得尤為重要。
　　本文基于數(shù)值模擬法，以黑龍江省依安農(nóng)場河北灌區(qū)主干渠穿西太平川溝倒虹吸工

2、程為研究對象，通過運用有限元分析軟件ANSYS，首先對工程運行中遇到的5種工況，采用鋼筋混凝土的整體式模式，建立原設(shè)計方案下的管身和周圍土體的三維實體模型，分別分析管身和周圍土體的應(yīng)力和變形。其次結(jié)合分析得到的管身應(yīng)力值，對倒虹吸的初始斷面及配筋進行優(yōu)化，并利用分離式的配筋形式，對優(yōu)化后的倒虹吸管身進行兩種較不利工況下的模擬分析，驗證改進后設(shè)計方案的可靠性，對比優(yōu)化前后的工程量和造價，分析其經(jīng)濟性。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:

3、　　(1)介紹有限元的基本原理及分析過程、ANSYS的求解步驟，分別總結(jié)概括混凝土、鋼筋、土體三種材料的本構(gòu)關(guān)系和破壞準則及鋼筋混凝土有限元分析中鋼筋的處理方式。
　　(2)根據(jù)原設(shè)計方案中管身的有限元分析結(jié)果，可得出在工程運行的5種工況中，管身混凝土最大拉、壓應(yīng)力均遠未超過其設(shè)計值且有較大的富余，管身較不利工況出現(xiàn)在管內(nèi)無水的完建和檢修工況。
　　(3)根據(jù)原設(shè)計方案中管身周圍土體的有限元分析結(jié)果，可得出在不同工況下，土體

4、整體是穩(wěn)定的，最大沉降量發(fā)生在完建期，位于管身兩側(cè)回填土的自由表面處，其值為16.2 mm。管身整體沉降均勻，最大下沉量約為10.3 mm，滿足倒虹吸管對地基沉降量的設(shè)計要求。管身地基最大壓應(yīng)力值為114 kPa，地基承載力較好，滿足本工程地基承載力的設(shè)計要求。
　　(4)結(jié)合ANSYS數(shù)值模擬得到的洞身應(yīng)力值，對初始的倒虹吸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)改進后結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的倒虹吸結(jié)構(gòu)是安全的。通過對比優(yōu)化前后的工