大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析(1)

1、    大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析(1)    中国水利在过去二十多年信息化过程中积累了许多宝贵的经验。当今计算机、通信、网络等高新技术的发展为实现中国的“数字水利”提供了坚实的技术基础和前所未有的发展机会。鉴此，论文提出了一整套水利信息化进程中的解决方案。 关键词：信息化 数字水利 决策支持系统 1 水利信息化现状水利行业作为一个有着悠久历史，同时也是信息十分密集的行业，其信息化工作开始于“七五”期间，至今已取得了可喜的成绩，但仍存在不少问题。（1）信息的标准化和规范化工作相对滞后。水利工作的三大任务是防

2、治洪涝灾害，解决干旱缺水和治理改善保护水环境。随着水资源管理和水环境保护问题的日益突出，需开发的水利信息资源越来越多，对信息的准确性和实时性求越来越高，但信息的规范化和标准化工作相对滞后，加上系统的维护管理经费渠道始终未得到很好地解决，致使目前我国在水利信息资源的开发利用和信息服务方面，与国际的差距有逐渐拉大的趋势。主表现在未能应用现代信息技术及时为政府和社会公众提供全方位的信息服务及信息化的质量还不能适应水利现代化的需。（2）对信息工作的认识不到位。水利系统的干部和职工对信息化工作的重性有了一定的认识，但还有一部分员工对信息化工作认识不足，缺乏紧迫感；没有形成统一的建设机制，水利信息化普及程

3、度还远远不够，甚至部分单位还没有统一的规划和明确的发展目标。（3）水利信息化发展水平不高。主表现在：1)从事水利信息化规划的相关人员对IT技术发展把握不够深，造成了随着IT技术的飞速发展，大量刚刚完成的信息化应用建设已经不能适应信息时代的求，成了落后的产品。此外，整体性规划的不完善或实施不利而导致各个系统的兼容性差，信息流不畅，致使信息化的大量投入所建设的仅是一个又一个的“信息孤岛”。2）从事水利信息化产品设计与开发的相关机构对行业应用理解不够深，造成了水利信息化产品的易用性、实用性差，甚至无法推广或交付使用。3）信息化发展的保障条件不足。水利信息化工作面广、量大，信息化技术发展快，而现在国家

4、某些投资政策和项目管理制度不太适应信息化建设求，导致长期以来在水利信息化建设方面的投入严重不足。水利信息系统的建设和管理，本身是一个庞大和复杂的系统工程，但目前在水利系统还没有形成一套完整的管理制度、管理措施和管理办法。此外，水利信息化队伍的人才缺乏、技术储备不足也是急需解决的问题。2 数字水利的定义随着“数字地球”这一概念的提出，“数字水利”也应运而生。“数字水利”是一个以空间信息为基础，融合各种水文模型和水利业务的专业化系统平台，是对真实水文水利过程的数字化重现，它把水活动的自然演变搬进了实验室和计算机，成为真实水利的虚拟对照体。“数字水利”是由各种信息的数据采集、传输、存储、模拟和决策等

5、子系统构成的庞大系统。可以根据不同需，对不同时间的数据进行检索、分析，透视水文环境素的变化规律，实现数字仿真预演。“数字水利”的应用不仅仅局限在防洪抗旱，它还能够为流域内水量调度、水土流失监测、水质评价等提供决策支持服务；能够为水利工程运行、水利电子政务和水利勘测规划设计等提供信息服务；能够为人口、资源、生态环境和社会经济的可持续发展提供决策支持；能够为人居环境、社区规划、社会生活等方面提供全面的信息服务，提高人们的生活质量。3 数字水利解决方案3.1 概述计算机技术、通讯技术、网络技术、微电子技术、3S技术、水文模型技术的飞速发展给“数字水利”带来了前所未有的大好机会，终将对水利信息的采集、

6、处理和共享的方式都产生了很大的影响(图1)。3.2 数字水利应用系统组成数字水利应用系统主由采集层、网络层、数据层、应用层、表示层、接口层、支撑层七个部分组成（图2）。3.2.1 采集层 水利信息化系统是建立在信息基础之上的，而这些信息的获得需通过不同手段和措施；这些获得信息的手段和措施以及相应的采集点就组成了采集层。采集层采集的内容有气象、水雨情、工情、旱情、图像、水质、地下水、水土保持等信息，采集手段包括遥感、遥测和其他传感器自动采集、云台摄像、手工输入、通过数据接口自动获取等；具体的采集内容、手段、采集地点的布局等根据具体系统决定。3.2.2 网络层 网络层为信息共享和数据传输提供基础，

7、网络的建设一般根据实际情况采用公网和专网相结合的方式。3.2.3 数据层 数据层通过建立所有与水利相关的数据的模型或结构，使应用层能够更方便、更快捷地获得各种水利信息，产生各种水利应用。因为面对的是海量的异构的数据，还兼顾直接的面向信息的应用。此外，数据结构的建立必须遵循相关标准，以便为上级或下级系统提供数据接口。3.2.4 应用层 应用层建立在数据层的基础之上，通过建立各种应用模型如洪水演进模型、排水模型等，提供水利行业的各种应用功能。如水利信息服务、统计分析、虚拟仿真、预报决策等。应用层通过充分利用数据层的数据以及最先进的信息技术如3S等，建立虚拟的数字水利，从而能够更好的利用水利为人类服

8、务。3.2.5 表示层 表示层以浏览器为载体，直接向从事水利的各级人员提供其所需的相关功能或信息服务。3.2.6 接口层 接口层通过向各级水利系统提供网络接口、数据接口和系统接口使各类信息得到充分共享，各级水利系统成为一个有机的整体，最终形成“数字水利”。3.2.7 支撑层 支撑层通过相关的标准体系以及最新的技术，保证整个系统安全、稳定、有效的运行。3.3 决策支持系统数字水利应用系统建设的最终目的就是为防汛抗旱、水资源合理配置、水环境管理及水土保持等决策提供科学、准确的数据支持。根据水利工作的实际情况，水利决策支持系统包括：防汛决策支持系统、抗旱决策支持系统、水资源决策支持系统、水环境决策支

9、持系统、水土保持决策支持系统、水利综合会商系统等（图3）。            式中：ij是按加载直接计算超出于屈服面或破坏面外的计算应力状态，dpij是进入破坏后的应变增量，*ij是将ij         本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。&#

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19、160;   本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。    摘本文根据岩体和混凝土衬砌联合受力特点，系统地提出了大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析方法。针对岔管空间几何特征，结合三维有限元的原理，提出了采用程序分析判断，自动生成各种不同类型的三维有限元地下钢筋混凝土岔管结构网格的计算方法。该方法只须输入几个关键的控制参数，便能自动剖分所须岔管网格，为大型地下钢筋混凝土岔管结构优化分析提供一

20、种快速网格生成方法。根据岩体损伤开裂和弹塑性破坏特征，从岩体开挖应力扰动的塑性耗散能扩散理论和混凝土衬砌结构开裂损伤原理，提出了大型地下钢筋混凝土岔管结构型式优化的评估方法。通过对工程实例分析，证明该方法能综合反应地下钢筋混凝土岔管结构型式和参数选择以及岔管所处的地质环境和条件的影响，为优化地下钢筋混凝土岔管结构合理型式提供了一种有效的分析方法。 关键词：地下岔管 三维有限元 结构优化 地下钢筋混凝土岔管结构是与围岩联合承载受力结构，采用常规的结构力学方法分析其衬砌型式，已不能充分考虑围岩和衬砌联合工作特性1。探讨大PD值(P表示压力管道承受的水压力，D表示压力管道的直径)地下钢筋混凝土岔管衬

21、砌结构与围岩联合受力的优化分析方法，对合理选择地下钢筋混凝土岔管结构形式，提高岔管衬砌设计水平，缩短设计周期，加快施工进度，节省工程投资，简化施工工艺，具有重经济和社会效应。本文根据岩体弹塑性破坏特征，采用岩体塑性耗散能评估地下钢筋混凝土岔管结构开挖的合理型式；根据混凝土损伤开裂破坏特征，采用损伤应变能评估地下钢筋混凝土岔管衬砌受力的优化型式；根据三维有限元的基本原理和空间几何特征，采用交互式图形显示技术，对各种不同类型的地下钢筋混凝土岔管结构的三维有限元网格进行自动生成，为大PD值地下钢筋混凝土岔管结构优化分析提供一种快速和有效评估计算方法。1 地下岔管结构优化分析有限元网格自动生成方法地下

22、钢筋混凝土岔管结构是一种复杂的多重介质空间结构，采用有限元数值方法进行优化分析时，首先须对地下钢筋混凝土岔管结构进行离散化。复杂空间结构的三维有限元网格离散剖分工作是一项繁杂费时的工作，而且数据输入时容易出现人为差错。虽然国内有一些著名软件如ViziCAD，AutoCAD具有较好的交互式绘图功能，但是这些软件往往需有限元使用者有一定的建模技巧，同样须花相当多的时间。当进行岔管结构优化分析时，每分析一个方案，都必须重新建模，对修改结构方案进行重新离散和重新组织数据，所以对优化参数的选择和优化结构的判断十分不便2。因此编制一个适应于各种不同类型的地下钢筋混凝土岔管有限元网格自动生成程序，对岔管进行

23、优化分析是十分重的。地下岔管钢筋混凝土岔管，衬砌与围岩共同承载，因此网格剖分应包括衬砌和围岩。为了适用于各种地下岔管衬砌与围岩联合承载的三维有限元网格自动生成，本文利用映射法原理编制岔管结构网格的自动生成程序。只用户给出结构轮廓的某些特征值，程序根据这些特征值，调用相关算法，即可进行网格的自动生成，不再需用户计算单元信息(包括各种约束信息、锚杆信息、受载面信息).因此大大减小了前处理工作量，节省了时间，降低了出错率。使得地下岔管结构优化分析计算变得简捷而快速。程序生成的有限元数据可以通过图形显示程序显示出来，并可通过人机交互交式，对生成的网格进行修改、添加、删除，保证有限元分析数据的准确性。地

24、下钢筋混凝土岔管有限元网格自动剖分程序主分3步进行。(1)根据钢筋混凝土岔管结构的几何特征和有限单元信息规定，首先对规则岔管结构进行离散。如图1(a)对称岔管，只需输入主、支管直径D1，D2；衬砌厚度d1,d2；主管和总管长度S1和S；岔管的半岔角、半锥角和两支管的间距L，则可分别建立主管和支管的轮廓方程：     (1)式中：X，Y，Z为以岔管相贯线交点为圆点的三维坐标；C0，C1，C2为沿X轴线所取的不同段面常数。对于岔管段可根据岔角参数(半岔角、半锥角)建立以腰梁和U梁为局部坐标的相关方程，通过数学变换则可求所需相贯线的坐标。再根据几何关系，则可推

25、出岔管锥段斜截面的交线参数方程3。如图1(b)所示，任意倾角为1的斜截面与母线OD的交点为P，由图中的几何关系则可得到P点在截面上的向径OP和夹角的表达式为：     p=cos( 1)cos(-)/cos( 1-)cos，tg=(1-cos)sincos/cos2 cossin2    (2)     式中：为母线OD在对称面OAB上的投影OC与OA的夹角(AOC)；角为母线OD的旋转角，即从OA开始旋转到OD的角度AED的角度。根据O点的坐标和精度求控制，选取一定间距截面

26、和不同的角，按照式(2)则计算出斜截面上的任意交点P的坐标。对于卜型岔采用类似方法可求得岔管轮廓线尺寸和相贯线坐标。            式中：ij是按加载直接计算超出于屈服面或破坏面外的计算应力状态，dpij是进入破坏后的应变增量，*ij是将ij         本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用

27、，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。         图1 对称岔管结构参数             图2 对称岔和卜型岔衬砌单元    图3 对称岔整体有限元单元网格(2)对岔管外围的围岩进行网格剖分。首先可根据已离散的岔管衬砌单元和节点，按其规则将围岩向外扩充34层单元，为此可采用对岔管衬砌外边界进行自动标识，而后将其向围岩拓展。然后根

28、据岩体所计算的边界范围以及网格离散的计算精度确定计算模型边界的单元编号和结点坐标。再采用插值方法对中间岩体网格进行逐步加密过渡，则可确定岔管外围的全部岩体单元网格。这一部分关键在于对岔管岔角处网格剖分，因为岔角处应力较为集中，往往是有限元分析的重点，求网格较密，同时又求与第一部分网格相协调。因此在对岔管外围规则部分岩体网格进行离散时，可采用管道截面交线逐渐由圆或椭圆过渡到矩形，从而使得岔管岔角处围岩形成为一个大的三棱柱，对于较为规则的三棱柱，可以较为容易地进行六面体网格剖分。(3)对岔管分岔角处进行修圆处理。地下钢筋混凝土衬砌岔管分岔角处的应力集中现象十分明显，在开挖时，常常对分岔角处进行修圆

29、处理。岔角修圆后过渡段不再是一锥管，但截面交线参数方程仍为椭圆。本文采用在分岔角处进行滚动圆滑处理，即根据修圆程度求，选用一个合适半径的圆球，将岔管过渡段母线滚动圆滑，求得母线与斜截面的交点。然后根据修圆的控制范围选定不修圆的边界，再对修圆后的母线和不修圆的边界之间的网格节点坐标进行插值计算，则可得到较均匀的修圆岔角网格。采用上述方法，只需修改初始的几个输入参数，则可离散如图2、图3所示各种岔管参数网格。    2 地下岔管结构形式优化评估方法地下钢筋混凝土岔管结构形式的优劣不但受岔管本身的形态的影响，还与所处的地质环境、岩体特性、原岩应力场有极大的关系。岔管结构本身的形态直接影响钢筋混凝土岔管衬砌的受力特性，而地下岔管所处的围岩稳定特性是地下岔管结构稳定的关键。因此对地下钢筋混凝土岔管结构形式的优化评估，可从岔管衬砌整体受力特点和岔管洞室开挖围岩稳定特性两方面来评估。2.1 岔管洞室开挖围岩稳定特性评估 岩体是一种弹塑性介质，其塑性变形是不可恢复的非线性变形。当地下岔管所处的围岩特性不同、原岩应力状态相异时，地下岔管洞室开挖后，其围岩的破坏状态和应力扰动情况也就不同。岩体发生塑性破坏时，岩体的塑性应变能增量将全部耗散掉。塑