河南省高等学校

1、PAGE 21PAGE 7河南省高等学校大学生创新训练计划项目申报表推荐学校：华北水利水电大学项目名称：高烈度地区特大型渡槽结构数值模拟及抗震分析研究项目编号：202010078010项目层次：重点项目 一般项目所属一级学科名称：力学项目负责人：柯旺联系电话导教师：石艳柯、董荭联系电话13938288268申报日期：2020.6.27河南省教育厅 制项目名称高烈度地区特大型渡槽结构数值模拟及抗震分析研究项目关键词高烈度地区、大型渡槽、抗震分析项目所属一级学科力学项目层次（ ）重点项目 （ ）一般项目 项目实施时间起始时间： 2020 年 6

2、月 完成时间： 2021 年 6 月项目简介(200字以内）本项目基于高烈度地震区特大型渡槽的结构安全性，采用大型有限元软件建立渡槽结构的三维计算模型，从静力分析、温度分析、动力响应分析三个方面进行数值模拟计算，获得渡槽结构的应力和变形分布情况，以此对设计结果进行结构强度和刚度复核。在动力响应计算的基础上，进行构件截面抗震承载力验算、构件弹性变形验算，形成一套科学可行的渡槽结构抗震设计方案。申请人或申请团队姓名年级学号所在院系/专业联系电话E-mail主持人柯旺2018201806122土木与交通学院/工程力学178151418841981748109成员许一鸣2018201806106土木与

3、交通学院/工程力学178369214121512116129 徐炳钊2018201806125土木与交通学院/工程力学15778575410291575797 梁琪琪2018201806127土木与交通学院/工程力学15909320022295827958 魏龙雨2018201806129土木与交通学院/工程力学175133621583112818435指 导 教 师第一指导教师姓名石艳柯单位土木与交通学院年龄37副教授主要成果1）国家自然科学基金，11502081，考虑应变梯度的缺口低周疲劳寿命预测模型与实验验证，24 万元，结项，主持。2）河南省教育厅科学技术研究重点项目（15A56002

4、8）：无机聚合物增韧矿渣混凝土的试验研究，2万元，结项，主持。3）水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心开放课题， 2019005，偏高岭土基长寿命堤防工程混凝土的制备研究，4.5 万元，在研，主持。另，参与并完成国家自然科学金项目6项，河南省科技攻关项目5项，发表学术论文10余篇，SCI、EI检索5篇。指 导 教 师第二指导教师姓名董荭单位土木与交通学院年龄40讲师主要成果项目：河南省教育厅科学技术研究重点项目（14A410005）：水桥墩流固耦合的动力响应研究，2万元，结项，主持。代表性论文：Dong, H. Preparation and performance analysis of

5、 polypropylene firber-reinforced concrete composite, ASIA-PAC J CHEM ENG, 2020 , 03. (SCI)申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）项目主持人学业成绩优良，喜欢钻研，有独立的思考能力，曾经参与过相关项目的资料收集及部分数值计算，有一定的数学计算、分析以及软件使用的能力。二、项目方案1、项目研究背景1.1国内外的研究现状及研究意义渡槽结构的模拟分析主要是采用有限元法建立三维渡槽结构，根据不同的荷载组合进行静力、动力响应分析，从而为其设计提供依据。近年来众多学者都对渡槽结构进行

6、了结构分析方面的研究：王森林等对洺河三槽一联渡槽进行了结构静力分析，考虑了结构在运行时的空槽、满槽、中槽过水和边槽过水四种工况，得到了槽身结构的应力和变形分布情况；潘旦光等分析了三向施加预应力的半椭圆形薄壳渡槽，针对该形式渡槽的横向刚度偏小的问题，提出了在槽身横向加肋的工程措施；季日臣等对大跨度预应力混凝土梁式渡槽结构上拱度进行了分析，分析结果表明，预应力、恒载、弹性模量、混凝土的收缩和徐变是影响渡槽结构上拱度的主要因素；赵平等采用空间杆系有限元法分析了大型多纵梁斜交渡槽结构受力情况，并将同跨度斜交渡槽与正交渡槽进行计算对比。彭华等对大型上承式桁架拱渡槽进行了分析，得到了组合工况下整体的变形和

7、应力分布规律。高小翠等采用对大型预应力混凝土箱式渡槽进行分析，得到了渡槽纵向、横向和竖向正应力分布和竖向剪应力分布、跨中槽底竖向位移；赵瑜等对东深供水改造工程钢筋混凝土矩形渡槽下部支承结构，在动、静荷载作用下的受力性能进行了分析，并论证了其稳定性能。李宗坤等针对钢管混凝土拱组合梁渡槽复杂结构，建立了合理的有限元模型；白新理等采用非线性有限元程序，对南水北调中线穿黄连续刚构方案的预应力U型薄壳渡槽进行了结构分析，给出了静力分析结果和动力特性分析结果；王清云等采用壳体单元和三维等参单元，对大型预应力U型薄壳渡槽静动力特性进行了三维有限元分析，给出了静力分析结果，并与模型试验作了对比；叶朋月等对漕河

8、渡槽结构的受力性能进行分析，依此证明所采用的渡槽结构型式及尺寸、预应力筋的布置方案是合理的，渡槽结构应力、变形满足规范要求；李正农等对渡槽槽体在均匀流场和湍流场中各取不同的高宽比进行了风洞试验，为渡槽结构的抗风设计提供了参考依据。1.2与本项目有关的研究积累和已取得的成绩 指导教师承担有国家级、省级等相关研究课题，正在承担滇中引水工程相关的重大科技研究项目，对水工结构的模拟计算有较好的研究经验。项目主持人和项目组成员曾参与相关项目的数值计算，对商业有限元软件及其使用有一定的基础。 1.3已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法 指导教师购置有工作站2台，多节点服务器2台，具备大规模数值分析的计算机

9、硬件设施；另购置有MTS力学万能试验机1台，可以开展渡槽相关构件或材料的力学性能实验。2、项目研究目标及主要内容 滇中引水工程大理 II 段的渡槽过流量大、高度较高、地震烈度高，为高烈度地震区特大型高架渡槽，是滇中引水工程中的重要组成部分，其结构可靠性和抗震安全性是关系到国计民生的重大问题。渡槽采用三向预应力结构，三维受力效应明显，传统的平面简化计算方法分析，已不能满足设计要求，需建立渡槽结构的三维体系模型，进行数值仿真模拟计算，以此对设计结果进行结构强度和稳定复核。为确保结构安全、运行可靠、 经济合理，需通过大规模的数值模拟分析优化渡槽结构及布置、提出合理的预应力张拉方案，分析在地震作用下渡

10、槽结构的受力状态，为科学设计提供依据。本项目的主要内容包括： 本项目的主要内容包括：（1）考虑渡槽槽身复杂的三向预应力及支承型式，分析渡槽在不同荷载组合（包括温度荷载）下的变形及应力状态；（2）通过分析，优化钢绞线布置，模拟预应力施加过程，提出合理的预应力张拉方案；（3）考虑流、固动力耦合作用，采用时程分析法进行渡槽地震响应研究。3、项目创新特色概述考虑渡槽结构激励处的水体惯性引起的冲击动水压力和水体自身晃动导致的对流动水压力，以水工工程水工建筑物抗震设计规范（NB 35047-2015）推荐的动水压力模型描述槽内水体的动力效应，建立槽体-附加质量-预应力筋-槽墩-地基的大型渡槽动力模拟系统模

11、型。4、项目研究技术路线 本项目的技术路线如图 1 所示：图 1 技术路线5、研究进度安排2019.112020.1 文献查询2020.22020.5 有限元模型建立及温度场分析2020.62020.8 预应力张拉过程模拟及静力分析2020.92020.11 动力响应分析6、项目组成员分工姓名项目分工柯旺项目总负责魏龙雨数值计算许一鸣数值计算徐炳钊资料收集整理梁琪琪项目调研学校提供条件（包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等）该项目依托华北水利水电大学土木与交通学院，学院所属实验室可以提供项目相关实验所需的必要设备，提供相应的配套经费，学校有相应的政策鼓励和支持大学生创新创业项目。四、预期成果项目预计发表中文核心以上论文12篇，研究报告1份。五、经费预算1、项目调研、差旅费：3000元；用于1人次国内项目调研。2、专用材料、小型硬件：6000元；水泥等实验材料，测温计、应变