大型倒虹结构分析与试验研究(1)
毕业论文
2014/4/1
摘要：摘 要：南水北调中线工程总干渠河渠倒虹设计流量大、流速小，为使南水北调倒虹吸的设计技术先进、安全且经济合理，本科研试验以淇河渠倒虹为原型对大型倒虹进行了结构分析研究和结构试验研究。通过科研试验提出大型倒虹合理的断面型式，对数学模型计算结果和物理模型试验结果进行对比分析,提出合理的结构内力计算方法。
关键词：南水北调 倒虹 结构 研究
1 引言
通过科研试验提出大型倒虹合理的断面型式，对数学模型计算结果和物理模型试验结果进行对比分析,提出合理的结构内力计算方法。
2 科研、试验主要内容
南水北调中线工程总干渠河渠倒虹设计流量大、流速小，为使南水北调倒虹吸的设计技术先进、安全且经济合理，本科研试验以淇河渠倒虹为原型对大型倒虹进行了结构分析研究和结构试验研究。
研究对象是南水北调中线145亿m3调水方案的总干渠黄河北～漳河南渠段初设阶段淇河渠道倒虹吸管身。管身为6孔，孔径6m×6m，3孔一联，横向分为2联，顺水流方向每节管长15m。管身材料为300＃砼，弹性模量为3×104mpa，泊松比0.167。倒虹管身地基为粘土岩，弹性模量为30mpa，泊松比0.3，浮容重为10kn/m3，饱和容重为20kn/m3，土的内摩擦角25°，管顶填土厚2.6m。
2.1 结构分析研究
2.1.1结合淇河倒虹初步设计进行断面型式选择
对倒虹吸4种结构型式（箱型框架、正反拱、正拱和反拱）和五种工况（①河道有水、管内无水；②河道无水、管内有水；③河道无水、左管有水；④河道无水、中管有水；⑤河道无水、右管有水）用矩阵位移法和文克尔假定进行了计算，结果表明加腋的箱型框架断面受力较优越，而且易于施工，便于管理，且对各种附加荷载的敏感性较其它三种断面型式低，并确定了最危险的工况，论证了结构选型的合理性和可靠性。
2.1.2为了提高设计速度和质量，编制了“智能化倒虹框架结构分析专用程序”，该程序采用汉字显示人机交互的方式，层次清晰、界面友好，具有直观明了、操作简单、输入工作量小。
图4－1 倒虹横断面比较图 尺寸单位：米
自动计算荷载、形成计算简图、计算速度快的特点，并能自动绘出设计所需要的内力图。
2.1.3 研究了地基弹性、温度变化对结构内力的影响。
2.1.4 对选定的结构断面进行了二维有限元计算和二维非线性有限元计算，用三维有限元对一节15m长的箱形管身进行了分析计算，并将各种方法的计算成果进行了对比分析。二维非线性有限元方程组求解采用局部弧长法，利用荷载向量系数来控制结构实际所承受的荷载。
2.2模型试验研究
2.2.1 光弹试验
光弹试验包括平面光弹试验和三维光弹试验，通过光弹模型试验确
图4－2 倒虹结构平面有限元网格划分图
定杆件结构跨高比的合理范围、确定不同地基对矩形框架的影响，并将试验结果与二维、三维有限元计算结果进行分析比较。
平面光弹试验在室温下进行，模型比尺为1:125，倒虹结构模型材料为环氧树脂，模型地基材料为弹性橡胶；三维光弹试验在冻结应力烘箱中进行，模型比尺1:100，倒虹结构模型材料为120℃高温下的环氧树脂，模型地基材料为软质聚氨脂泡沫塑料。模型中倒虹结构与地基的弹模比值基本保持与原结构弹模比1000相同。
切片的等色线和等倾线的观测在国产409-ⅱ光弹仪上进行，非整数级条纹补偿以旋转分析镜片为主，对某些难测点同时用石英补偿器进行量测，对切片均采用正射法进行观测。根据观测结果和光弹正射法应力公式计算各部位应力。
2.2.2 三维电测模型试验
为更好地验证光弹试验结果与有限元计算结果，对河道有水、管内无水工况进行整体模型电测试验，试验任务为确定结构中心断面的表面应力、求出相应的内力值，并测定底板的地基反力。
电测试验根据相似理论，按模型相似数据设计。模型比尺1:50，倒虹管身的模型材料选用有机玻璃，倒虹地基为粘土岩，模型地基选用聚氯乙烯泡沫塑料，模型中倒虹结构与地基的弹模比值基本保持与原结构弹模比1000相同。
在倒虹模型的中间断面布置测点，测定其表面应力，进而计算其内力。对每根顶梁、柱和底梁各选择3个截面，每个截面的上边沿和下边沿各布置一个测点，共计60个测点。应变测试成果按平面应力状态分析。
2.3 物理模型试验结果与数学
模型计算结果对比分析：物模试验与数模计算结果对比分析表明，二维光弹试验结果中跨中弯矩与二维有限元结果一致，而端部弯矩试验结果与结构力学法计算结果比较接近；三维光弹试验结果与三维有限元结果比较接近，但比三维有限元结果稍大；三维电测模型试验结果与三维光弹试验结果大致相同，其内力值较三维有限元结果大，比二维有限元结果小，但远小于结构力学法计算结果。
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