软基上坞式船闸闸室结构受力性态和可靠度研究

摘要

船闸一旦失事，可能产生次生灾害，影响航道畅通，恶化自然和社会环境，因而在船闸设计中对船闸可靠度的要求相对较高。由于船闸结构的复杂性，对其分析是一个复杂的过程，各种传统计算方法为了简化计算，均作了或多或少的假定，这些假定成立与否尚需理论与实践的检验，因此传统计算方法存在一定的缺陷，其适用范围也受到限制。 随着计算机技术的发展，采用有限元模拟研究各种各样复杂问题开始成为可能。在闸室结构计算中，有限元法发展还不够成熟，但其有着传统计算方法不可比拟的优点：直观准确的模拟复杂闸室结构，严格的数学理论分析等，必将得到长足的发展。 本文依托嘉陵江红岩子电航枢纽工程船闸相关资料，对软地基上坞式船闸闸室结构进行了简化计算，并利用基于ANSYS模型的有限元法对闸室和地基受力以及闸室结构可靠性进行了分析，主要研究内容和成果有： (1)将土压力、地下水压力等荷载作用在边墙上，边墙视为嵌固在底板上的悬臂梁，而底板则视为弹性地基梁分别计算，用郭氏法对红岩子船闸闸室荷载进行了荷载组合分析和结构验算，计算时分别考虑了高水位、低水位、检修、完建、建造五种运用工况的最不利水位组合。计算结果表明：红岩子枢纽工程船闸闸室结构安全，不存在上浮的危险，满足正截面承载能力和斜截面抗剪的要求，闸室稳定。 (2)取垂直于水流方向的闸室截面建立平面二维有限元模型，采用正方形和矩形自由网格对模型进行了离散化，视土层边界上都为固定约束，基于ANSYS模型对红岩子船闸前述五种运用工况的最不利水位组合工况进行了有限元分析。分析计算结果表明：各种情况下，最大总位移变形发生在闸墙后附近的地面上并与地面向下成大约60°往闸墙的土层范围内，最小总位移变形发生在闸墙最远处地面和土层最深处。 (3)利用有限元法对船闸闸室结构可靠性进行分析，结果表明：在置性度为95﹪的情况下，闸室承载能力的极限状态方程Z<0的概论平均值为0.154988﹪，即说明闸室的可靠度为99.8﹪。

目录

文摘

英文文摘

重庆交通大学学位论文原创性声明及重庆交通大学学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1概述

1.2问题的提出和研究的意义

1.3研究现状

1.3.1船闸发展研究现状

1.3.2结构可靠度的研究现状

1.4本文的研究内容和创新点

第二章弹性地基和可靠度理论基础

2.1弹性地基梁研究

2.1.1弹性地基模型

2.1.2弹性地基梁计算方法

2.1.3各种弹性地基梁法优缺点分析

2.2可靠度计算方法研究

2.2.1结构点可靠度方法研究

2.2.2结构体系可靠度方法研究

第三章通航建筑物的布置及闸室结构研究

3.1通航建筑物的布置研究

3.1.1集中式布置形式

3.1.2分散式布置形式

3.1.3红岩子电航工程通航建筑物布置

3.2闸室结构的选择

3.2.1闸室结构分类

3.2.2闸室结构特点分析

3.2.3闸室结构综合分析

3.2.4结论

第四章坞式船闸闸室结构验算

4.1计算方法介绍

4.2工程概况

4.2.1船闸特征水位

4.2.2闸首和闸室建筑物

4.2.3船闸地质条件

4.2.4材料容重

4.3土压力计算理论分析

4.4荷载及内力计算

4.4.1荷载计算基本原则

4.4.2最不利工况荷载分析

4.4.3断面受力总汇

4.5闸室底板弹性地基梁的计算

4.5.1柔度系数及边载的确定

4.5.2各种计算工况的内力计算

4.6闸室底板受力特点分析

4.6.1弯矩特点分析

4.6.2地基反力特点分析

4.7闸室结构验算

4.7.1最不利荷载分析

4.7.2墙身内力计算

4.7.3闸室结构验算

4.7.4结论

第五章闸室和地基受力的有限元分析

5.1有限元法简介

5.1.1有限元法的基本思想

5.1.2有限元法的优势

5.2 ANSYS的简介

5.3程序的设计

5.4闸室和地基受力的有限元分析

5.4.1模型的建立

5.4.2荷载处理

5.4.3变形位移结果分析

5.4.4节点应力结果分析

5.5本章小结

第六章闸室结构可靠度有限元分析

6.1 ANSYS可靠度分析解决的问题

6.2 ANSYS可靠度分析步骤方法

6.3蒙特卡罗方法

6.3.1基本原理

6.3.2随机变量分布

6.4随机变量的分析

6.5结果分析

6.6本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2建议

致谢

参考文献

附录A闸室荷载组合及弹性地基梁计算

附录B作者攻读学位期间发表的论文