基于XFEM的鋼襯鋼筋混凝土壓力管道非線性分析.pdf

1、鋼襯鋼筋混凝土壓力管道是大中型水電站中倍受青睞的管道結(jié)構(gòu)型式,壓力管道外圍混凝土開裂是水電站中存在的客觀問題,也是影響水電站安全運(yùn)行的重要因素。深入研究鋼襯鋼筋混凝土壓力管道在內(nèi)水壓力等荷載作用下的聯(lián)合承載機(jī)理及外圍混凝土的開裂破壞過程對管道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行以及預(yù)測管道外圍混凝土可能出現(xiàn)的開裂行為均具有重要的理論意義和工程意義?；阡撘r鋼筋混凝土壓力管道結(jié)構(gòu)和受力的復(fù)雜性,本文以某大型水電站鋼襯鋼筋混凝土壓力管道實(shí)際工程為背景,采用非線性

2、有限元法,建立有限元數(shù)值仿真模型,分別從斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)以及模型試驗的角度研究鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的承載機(jī)理；在此基礎(chǔ)上采用擴(kuò)展有限元法(XFEM)對壓力管道進(jìn)行分析研究。主要做了以下幾方面的工作：
　　(1)闡述了混凝土類準(zhǔn)脆性材料非線性斷裂力學(xué)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀,評述這一類模型在鋼襯鋼筋混凝土壓力管道非線性分析中的可行性,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建有限元數(shù)值分析模型,基于連續(xù)介質(zhì)非線性斷裂力學(xué)理論對管道外圍混凝土進(jìn)行開裂分析,揭示結(jié)構(gòu)的

3、破壞機(jī)理,研究外圍混凝土在內(nèi)水壓作用下的開裂行為,分析鋼材應(yīng)力隨內(nèi)水壓力的變化關(guān)系,確定管道外圍混凝土最容易開裂的位置。
　　(2)以 ABAQUS中的混凝土損傷塑性模型為基礎(chǔ),考慮混凝土材料開裂后的軟化特性,基于鋼筋混凝土非線性有限元法,研究管道結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下的承載性能,著重研究了鋼材和混凝土的應(yīng)力和變形規(guī)律以及混凝土的損傷開裂行為,為后續(xù)研究提供參考依據(jù)。
　　(3)在對壓力管道進(jìn)行線彈性有限元分析和非線性有限元分

4、析的基礎(chǔ)上,研究不同混凝土受拉軟化曲線對壓力管道外圍混凝土損傷程度和分布規(guī)律以及鋼襯、環(huán)向鋼筋應(yīng)力的影響,為管道結(jié)構(gòu)的損傷評估和優(yōu)化設(shè)計提供可靠的數(shù)值參考依據(jù)。
　　(4)結(jié)合室內(nèi)大比尺模型試驗成果,對比分析了鋼襯鋼筋混凝土壓力管道在內(nèi)水壓力作用下外圍混凝土的開裂行為以及鋼材的應(yīng)力狀態(tài)。
　　(5)在前述研究成果的基礎(chǔ)上,對壓力管道最容易開裂的部位預(yù)設(shè)裂紋,采用XFEM模擬了含有初始裂紋的鋼襯鋼筋混凝土管的裂紋擴(kuò)展過程,分析