本文關(guān)鍵詞：考慮接觸力學(xué)行為的U型渠道凍脹數(shù)值模擬與襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：渠道襯砌凍脹破壞在我國(guó)北方寒冷地區(qū)普遍存在,嚴(yán)重危害著工程正常運(yùn)行。襯砌凍害一般發(fā)生在渠底以及邊坡下部位置,其破壞形式主要表現(xiàn)為襯砌發(fā)生變形、出現(xiàn)裂縫、隆起、乃至剝離滑落,降低渠道輸水效率,使渠道建筑物的使用年限縮短,運(yùn)行條件變壞,而且須增加許多非生產(chǎn)性勞動(dòng)、材料及投資去運(yùn)行和維護(hù),甚至重新修建。因此掌握渠基土凍脹及襯砌結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理,采取必要的抗凍脹措施,對(duì)節(jié)約水資源和發(fā)揮工程效益具有重要的實(shí)踐意義。本文在閱讀相關(guān)書(shū)籍和參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,探究了渠基凍土的凍脹機(jī)理及ABAQUS有限元理論在渠道凍脹分析中的適用性,分析總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于凍脹模型的研究成果和渠道抗凍脹數(shù)值模擬理論,主要針對(duì)渠道抗凍脹數(shù)值模擬研究中存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討和總結(jié)。就襯砌板的塑性破壞問(wèn)題考慮了混凝土材料的非線性,采用了混凝土的損傷本構(gòu)模型。就混凝土襯砌板與渠基土之間分離、粘合、滑移的力學(xué)行為,分別采用了ABAQUS自帶的法向接觸模型和切向接觸模型,主要考慮了凍土的凍結(jié)強(qiáng)度的作用。并將該模型應(yīng)用于寶雞峽灌區(qū)塬下北干渠渠道,將模擬結(jié)果與渠道實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證其合理性。在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同傾角、不同厚度的D600型混凝土襯砌渠道進(jìn)行數(shù)值模擬分析,給出該地區(qū)U型渠道襯砌傾角的合理范圍。本文主要內(nèi)容及成果如下:(1)建立考慮混凝土、凍土非線性和考慮渠基土與混凝土襯砌板之間力學(xué)行為的熱力耦合模型。在以往的渠道模型中,混凝土和渠基凍土多止于彈性階段,忽略其非線性特性。但是隨著渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的提高,結(jié)構(gòu)需要彈性設(shè)計(jì)以外的彈塑性驗(yàn)算,以獲得渠系結(jié)構(gòu)在凍融循壞往復(fù)作用下的實(shí)際變形情況。本文選用ABAQUS自帶混凝土損傷模型(Concrete Damaged Plastic)和凍土(Drucker-Prager)塑性屈服準(zhǔn)則來(lái)模擬渠基凍土的非彈性力學(xué)行為。渠基土和襯砌板之間法向行為,認(rèn)為接觸面能承受一定的拉力(大小等于相應(yīng)負(fù)溫下凍土的凍結(jié)強(qiáng)度),超過(guò)這個(gè)力后,渠基凍土和混凝土襯砌板張開(kāi)。摩擦模型采用Column準(zhǔn)則和允許最大剪應(yīng)力(凍結(jié)強(qiáng)度)控制,當(dāng)切向應(yīng)力超過(guò)允許剪切應(yīng)力后,認(rèn)為渠基凍土和混凝土襯砌板產(chǎn)生滑移。結(jié)果表明:該模型能夠反映混凝土襯砌板與渠基土之間脫開(kāi)、滑移的力學(xué)行為,也能反映混凝土襯砌板的薄弱段和凍土的破壞程度,與工程實(shí)踐一致。且不考慮接觸的混凝土塑性應(yīng)變最大值是考慮接觸的塑性應(yīng)變值的3.76倍,考慮接觸后的法向凍脹力、切向凍結(jié)力均減少1.5-3倍。(2)U型混凝土襯砌結(jié)構(gòu)是凍土區(qū)采用的主要渠道斷面形式,合理的渠道斷面參數(shù)是渠道設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的渠道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)僅從單一的水利要素出發(fā),對(duì)渠道抗凍脹方面多憑工程經(jīng)驗(yàn)確定。本文基于上述凍脹模型,考慮U型襯砌渠道坡角和襯砌板厚度變化對(duì)凍脹效果的影響,以寶雞峽灌區(qū)塬下北干渠渠道為研究對(duì)象,建立D600型混凝土襯砌渠道,傾角分別為8°、10°、12°、14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°和28°,襯砌板厚度為6、8、10cm,建立區(qū)分陰陽(yáng)坡和不區(qū)分陰陽(yáng)坡情況下的模型,共計(jì)66個(gè)。結(jié)果表明:以渠道法向凍脹量最小為目標(biāo),對(duì)于不區(qū)分陰陽(yáng)坡的渠道來(lái)說(shuō),適宜的襯砌厚度為8cm,襯砌傾角為??22~18;區(qū)分陰陽(yáng)坡的渠道,適宜的襯砌厚度為10cm,襯砌傾角為??2018~。此時(shí),混凝土襯砌渠道受力較為均勻,工程造價(jià)也相對(duì)較小。
【關(guān)鍵詞】：U型結(jié)構(gòu) 抗凍脹 數(shù)值模擬 材料非線性 接觸力學(xué)行為
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TV698.26
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRCAT7-11
• 第一章 緒論11-20
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 凍脹模型12-14
• 1.2.2 本構(gòu)方程14-15
• 1.2.3 渠道抗凍脹研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 問(wèn)題的提出17
• 1.4 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線17-20
• 第二章 渠基土凍脹機(jī)理與ABAQUS的適用性研究20-25
• 2.1 渠基土的凍脹機(jī)理20-21
• 2.1.1 凍土成因與物質(zhì)組成20-21
• 2.1.2 土體凍脹機(jī)理21
• 2.2 ABAQUS有限元在渠道凍脹模擬中的應(yīng)用21-25
• 2.2.1 ABAQUS有限元原理21-23
• 2.2.2 ABAQUS在渠道工程中的應(yīng)用23-25
• 第三章 考慮混凝土襯砌板與渠基土接觸力學(xué)行為的數(shù)值模擬25-41
• 3.1 力學(xué)模型的建立25-30
• 3.1.1 基本假設(shè)25
• 3.1.2 熱分析25
• 3.1.3 材料本構(gòu)模型25-29
• 3.1.4 凍土與混凝土襯砌板接觸面力學(xué)行為29-30
• 3.2 有限元模型及參數(shù)處理30-35
• 3.2.1 原型渠道概況30-31
• 3.2.2 有限元模型及參數(shù)選取31-35
• 3.3 結(jié)果分析35-39
• 3.3.1 溫度場(chǎng)35
• 3.3.2 渠基土法向凍脹量35-36
• 3.3.3 混凝土襯砌板及凍土塑性應(yīng)變36-37
• 3.3.4 襯砌板法向凍脹力和法向凍結(jié)力37-38
• 3.3.5 襯砌板切向凍結(jié)力38-39
• 3.4 本章小結(jié)39-41
• 第四章 坡角與襯砌板厚度對(duì)U型渠道襯砌受力變形的影響41-56
• 4.1 有限元模型建立41-42
• 4.2 渠道凍脹模擬結(jié)果分析42-55
• 4.2.1 不同傾角、不同厚度襯砌渠道法向凍脹量數(shù)值模擬分析42-45
• 4.2.2 不同傾角、不同厚度混凝土襯砌塑性應(yīng)變模擬分析45-48
• 4.2.3 不同傾角、不同厚度襯砌渠道法向凍脹力模擬分析48-51
• 4.2.4 不同傾角、不同厚度襯砌渠道切向凍結(jié)力模擬分析51-53
• 4.2.5 不同傾角、不同厚度U型渠道結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析53-55
• 4.3 本章小結(jié)55-56
• 第五章 結(jié)論和展望56-58
• 5.1 結(jié)論56-57
• 5.2 展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-61
• 致謝61-62
• 作者簡(jiǎn)介62

【相似文獻(xiàn)】

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