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强震区复杂围岩条件下调压井的动力特性研究

作　者: 焦丽芳
导　师: 王瑞骏
学　校: 西安理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 强震区复杂围岩条件调压井动力特性
分类号: TV732.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

调压井是一种常用的水电站建筑物,用于在有压引水或尾水系统中反射水锤压力。由于通常是在岩体中开挖而成,属于地下结构,因此调压井对于围岩地质条件及地震荷载作用较为敏感。目前,关于调压井的抗震研究与抗震设计,大多采用拟静力法。由于拟静力法不考虑围岩与衬砌结构之间的相互作用,将围岩与衬砌结构视作两个独立的体系,因此使得其计算分析结果往往与调压井地震响应的实际情况不完全相符。随着水电开发的逐步深入,建于强震区且具有复杂围岩地质条件的调压井日益增多,此类调压井的动力特性如何以及如何准确合理地进行动力特性研究,是一个值得进一步研究探讨的工程技术难题。本文在系统分析传统的地下结构抗震设计方法以及调压井抗震研究发展现状的基础上,首先分析并推导了结构动力分析的运动方程、结构自振分析以及时程动力分析的基本方程,并对上述方程的求解方法与步骤进行了研究和探讨;然后,结合摩洛哥某水电站调压井,针对其位于强震区且围岩地质条件极为复杂的情况,运用大型有限元软件,建立了进行调压井静、动力分析的三维有限元模型:在此基础上,首先进行了施工期与运行期调压井应力变形的三维有限元静力仿真分析;然后采用瞬态动力学方法,针对单纯水平地震荷载作用及水平与竖向地震荷载组合作用两种工况,进行了施工期与运行期调压井应力变形的三维有限元动力仿真分析。从而获得了施工期与运行期调压井围岩、支护及衬砌结构在静、动两类荷载作用下应力变形的分布与变化规律。计算分析结果表明,对于围岩地质条件复杂的调压井,在施工中应采用自上而下分层开挖,并及时喷锚和延迟一级衬砌;在阻抗口底板及底板以下开挖槽孔部位以及结构体型有变化处,易于出现局部塑性破坏区,这些部位应进行重点支护与加固;水平与竖向地震荷载的组合作用将增加调压井衬砌结构的动力反应,而且,竖向地震作用也会影响衬砌结构水平方向的动力反应,因此,在进行调压井抗震设计时,考虑水平与竖向地震的组合作用是必要的。本文的研究成果,不仅可为所依托电站调压井的抗震设计及施工与运行管理提供依据,而且对类似工程调压井的抗震设计与抗震研究具有参考价值;同时,本文所采用的研究方法,对类似工程问题的研究解决还具有一定的借鉴意义。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
1 绪论  9-18
  1.1 调压井的发展现状  9-10
  1.2 强震区复杂围岩条件下调压井抗震研究综述  10-16
    1.2.1 地下结构抗震研究的发展概况  10-11
    1.2.2 地下结构抗震研究的基本方法  11-12
    1.2.3 地下结构抗震分析的实用方法  12-14
    1.2.4 复杂围岩条件下调压井的设计、施工及运行特点  14-15
    1.2.5 调压井抗震研究的现状及存在的问题  15-16
  1.3 本文的研究目的及意义  16
  1.4 本文的主要研究内容  16-18
2 地下结构动力分析的有限元法  18-33
  2.1 结构动力分析的基本方程  18-23
    2.1.1 结构体系的动力平衡方程  18-22
    2.1.2 动力平衡方程的求解  22-23
  2.2 地下结构动力分析地基计算范围的选择  23-24
  2.3 地下结构动力分析边界条件的处理  24-27
    2.3.1 粘性边界  24-25
    2.3.2 粘-弹性人工边界  25-26
    2.3.3 透射边界  26-27
  2.4 岩体的动力计算模型  27-30
    2.4.1 弹性模型  27-29
    2.4.2 弹塑性模型  29-30
  2.5 地震波的选取与调整  30-31
  2.6 结构自振特性分析  31-32
  2.7 本章小结  32-33
3 复杂围岩条件下调压井动力分析的有限元模型  33-41
  3.1 工程概况  33-34
  3.2 调压井动力分析的几何模型与力学模型  34-35
    3.2.1 几何模型  34
    3.2.2 力学模型  34-35
  3.3 动力分析的有限元模型  35-38
    3.3.1 单元选用  35
    3.3.2 材料模型及参数选取  35-37
    3.3.3 边界条件处理  37
    3.3.4 网格划分  37-38
  3.4 地震波的选取与调整  38-39
  3.5 计算工况  39
  3.6 调压井的附加质量模型  39-40
  3.7 小结  40-41
4 调压井应力变形三维有限元静力仿真分析  41-53
  4.1 计算模型及计算参数  41
  4.2 计算工况  41
  4.3 施工期调压井的应力变形三维有限元分析  41-47
    4.3.1 调压井的施工方案  41
    4.3.2 模拟计算方法  41-42
    4.3.3 施工期调压井的应力变形分析  42-47
  4.4 运行期调压井的应力变形三维有限元分析  47-51
    4.4.1 衬砌结构位移计算结果分析  47-48
    4.4.2 衬砌结构应力计算结果分析  48-51
  4.5 本章小结  51-53
5 施工期调压井的三维有限元动力分析  53-68
  5.1 计算模型及计算参数  53
  5.2 计算工况  53
  5.3 调压井自振特性分析  53-54
  5.4 水平地震荷载作用下调压井的动力响应分析  54-60
    5.4.1 衬砌结构位移计算结果分析  54-57
    5.4.2 衬砌结构应力计算结果分析  57-60
  5.5 水平与竖向地震荷载组合作用下调压井的动力响应分析  60-66
    5.5.1 衬砌结构位移计算结果分析  61-62
    5.5.2 衬砌结构应力计算结果分析  62-66
  5.6 小结  66-68
6 运行期调压井的三维有限元动力分析  68-84
  6.1 计算模型及计算参数  68
  6.2 计算工况  68
  6.3 水平地震荷载作用下调压井的动力响应分析  68-75
    6.3.1 衬砌结构位移计算结果分析  68-71
    6.3.2 衬砌结构应力计算结果分析  71-75
  6.4 水平与竖向地震荷载组合作用下调压井动力响应分析  75-82
    6.4.1 衬砌结构位移计算结果分析  75-78
    6.4.2 衬砌结构应力计算结果分析  78-82
  6.5 小结  82-84
7 结论及展望  84-86
  7.1 结论  84-85
  7.2 展望  85-86
致谢  86-87
参考文献  87-90
附录  90

强震区复杂围岩条件下调压井的动力特性研究

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