（水利水电工程专业论文）大型渡槽安全监测模型的初步研究.pdf

摘要 南水北调工程是世界瞩目的大型跨流域引水工程，它缓解了我国北方严重缺水的 问题，中线工程的渡槽作为大型跨越性建筑物，其输水安全与结构安全至关重要，由 于以前修建的渡槽多是渠系上的渡槽或是排水渡槽，规模较小，很少有人对渡槽的安 全监测做过较为系统的研究，而南水北调主干渠上的渡槽其规模之大，过流量之大都 是世界罕见的，工程一旦失事，后果不堪设想，为了保证人民的财产与生命安全，有 必要建立一套与之相匹配的安全监测系统来监测渡槽的施工和运营情况。 本文首先对当前建筑物的监测理论与方法进行了简要的阐述，文章的第二章系统 地介绍了渡槽监测的目的、方法与监测内容，引入了坝工监测理论中几种监测模型， 并结合渡槽重点介绍了确定性模型的特点、原理与建立方法。主要是对大型预应力混 凝土渡槽建立了有限元静力分析模型，考虑了水位组合的9 种工况，对这几种情况下 渡槽关键监测断面监测点的结果进行分析、回归，据此建立了基于有限元的渡槽位移 一水位、应力一水位确定性模型，并对模型的预测结果与计算结果进行比较，表明模 型在有限元计算范围内的预测能力是相当好的。 关键词：渡槽；监测；有限元；确定性模型 p r e l i m i n a r ys t u d yo ns a f e t ym o n i t o r i n gm o d e lo fl a r g ea q u e d u c t n a m e ：h u a i j n g t u t o r ：q i ez h i h o n g m a j o r ：w a t e rr e s o u r c ea n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g a b s t r a c t t h es o u t h - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c ti so n eo ft h ew o r i df a m o u sb i gs c a l ep r o j e e tt h a t w i l lr e l i e v et h eh e a v i l ys h o r t a g ew a t e rp r o b l e mi nn o r t hr e g i o n so fc h i n a t h ea q u e d u c t o fm i d d l er o u t ep r o j e c ta r el a r g e s c a l ec r o s s i n gs t r u c t u r e ，t h e i rw a t e rc o n v e y a n c es a f e t y a n ds t r u c t u r es a f e t ya r ee x t r e m e l yi m p o r t a n t m a n yo fa q u e d u c t st h a th a db e e nb u i l t b e f o r ew e r ef l u m e si nc a n a ls y s t e mo rd r a i n a g ef l u m e s 衲es c a l eo ft h e mi ss m a l l s ot h e s y s t e m a t i cr e s e a r c ha b o u ta q u e d u c ts a f em o n i t o ri sf e w m o s to ft h et r u n kc a n a la q u e d u c t s f o rs o u t h n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c th a v ee x c e e d e dt h el a r g e s tf l u m e so ft h ew o r l di n s p a n o n c et h ep r o j e c th a sa na c c i d e n t ，t h ec o n s e q u e n c ei si n c o n c e i v a b l e i no r d e rt o p r o t e c tp e o p l e sl i f ea n dt h ep r o p e r t ys e c u r i t y , i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s has a f em o n i t o r s y s t e mw h i c hi su s e dt om o n i t o rt l ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o ns t a t u so fa q u e d u c t i nt h i sa r t i c l e as u m m a r i z et ot h ec u r r e n tb u i l d i n gm o n i t o rt h e o r ya n dm e t h o di sg i v e n t h e nt h em o n i t o rg o a l ，m e t h o da n dc o n t e n tt oa q u e d u c tm o n i t o ri si n t r o d u c e di nc h a p t e r t w o s e v e r a lk i n do fd a mm o n i t o rm o d e l si sc i t e di na q u e d u c tm o n i t o r t h ec h a r a c t e r i s t i p r i n c i p l ea n df o u n d a t i o nm e t h o do ft h ed e t e r m i n i s t i cm o d l ei si n t r o d u c e da se m p h a s i s t h e f i n i t ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i sm o d e lt ot h el a r g e s c a l ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ea q u e d u c ti s f o u n d e d ，h l 协i sm o d e l ，9k i n d so fw a t e rl e v e lc o m b i n a t i o nc o n d i t i o na r ec o n s i d e r e d d i s p l a c e m e n t w a t e rl e v e la n ds t r e s s w a t e rl e v e l f i n i t ee l e m e n td e t e r m i n i s t i cm o d e lo f a q u e d u c ti se s t a b l i s h e db a s e do l lt h ea n a l y s i sa n dr e g r e s s i o nt ot h em o n i t o rr e s u l to ft h e k e ym o n i t o rc r o s ss e c t i o nt e s tp o i n tf o rt h ea q u e d u c t a f t e rc o m p a r i n gt h ep r e d i c t i o nr e s u l t a n dt h ec o m p u t e dr e s u l t i ti sf o u n dt h a tt h ep r e d i c t i o na b i l i t yo ft h em o d e li sw e l li nf i n i t e e l e m e n tc o m p u t a t i o ns c o p e k e y w o r d s ：a q u e d u c t ；m o n i t o r i n g ；f i n i t ee l e m e n t ；d e t e r m i n i s t i cm o d l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑i 堡盎些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文 乍者签名：精仓 签字目期功。年月膳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑a 垦盔些盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑i 盔些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 漕兮 签字日期： 动口6 年月g 目 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：辫杏红 签字日期：渺饵6 月似日 电话 大型渡槽安全监测模型的初步研究 1 1 研究的目的和意义 1 引言 南水北调工程是新世纪的伟大工程，对缓解北方地区严重缺水具有重要的意义。渡槽作 为输水工程的重要组成部分，是跨越道路、河流、峡谷以及泄洪排涝的水工建筑物。南水北 调中线工程总干渠采取明渠自流输水，水头非常紧张，分配给渡槽的水头损失亦很小，在这 种大流量、低水头损失的情况下，势必使得过水断面加大，中线渡槽的断面大部分超过2 5 m 宽，水深都在5 米以上“j ，荷载非常巨大，渡槽的结构安全和输水安全是重中之重。限于当前 人们对大型结构的认知现状，许多不确定的因素，比如：渡槽老化、疲劳、施工质量、突发 性的地震等，都会对渡槽的安全有很大的影响口4 j ，而这些因素目前还很难进行完全的控制或 预测，为了确保渡槽在旌工期间及运营期间的安全，必须对结构进行定期检查和有效的安全 监测，通过实时监测和分析，实时了解渡槽的健康状况，及时发现结构的异常和瘸害，以避 免发生重大事故。 多年来，大型工程结构安全状况一直是政府有关部门和公众十分关心的问题j 。1 9 5 4 年 建成的坝高6 6 5 m 的法国马尔巴塞( m a l p a s s e t ) 双曲拱坝，蓄水后在扬压力作用下，左坝肩部分 岩体产生了不均匀变形和滑动。由于缺乏必要的安全监测设旋，故在管理人员没有丝毫的觉 察下，于1 9 5 9 年1 2 月2 日突然溃决，下游的一所兵营5 0 名美国士兵全部死亡。 另一著名事故是意大利瓦依昂拱坝库岸滑坡。该坝坝高2 6 2 m ，1 9 6 0 年蓄水后坝前左岸滑 坡体缓缓蠕动。至1 9 6 4 年1 0 月7 日实测总位移为4 2 9 c m 。其中最后1 2 天的位移速度达 4 8 3 m m d ，明显加速。可是当时人们认识不到这是最危险信号，没有采取任何行动。l o 月9 日滑坡体( 约2 4 亿m j ) 突然高速滑入水库导致7 0 m 高的涌浪翻坝，死亡2 6 0 0 余人。 目前国内外许多桥梁也都存在不同程度的安全隐患7 , 8 , 9 o 比如西方发达国家在经济腾飞时 期建造的大批桥梁面临剩余寿命的评估问题。其中美国的6 9 万座公路桥梁中有一半以上的使 用年限己超过5 0 年：二分之一以上的桥梁使用效率很低或者干脆荒废。每年用在桥梁维修上 的费用超过5 0 亿美元。在国内，由于质量控制滞后于桥梁的建设速度致使桥梁倒塌事故逐年 增加。1 9 9 9 年1 月重庆的彩虹大桥倒塌，导致4 1 人死亡、1 4 人受伤。1 9 9 6 年1 2 月广东韶关 特大桥梁坍塌，3 2 入死亡，5 9 人受伤。 造成这些事故的原因很复杂，除了设计与施工方面的原因，这些工程结构长期处于超负 荷运营状态，致使许多构件的疲劳损伤加剧，是导致倒塌的重要原因【l “。但是，如能在事 前对这些工程进行必要的日常监测，根据结构的位移、应变、振动频率等信息对结构的健康 状况作出及时的评判。并采取有效的措施，上述灾难是可以避免的。以下是成功利用安全监 测的工程实例。1 9 6 2 年安徽梅山连拱坝右岸基岩发现大量漏水，右岸1 3 号坝跺垂线坐标仪， 观测三天内向左岸倾斜了5 7 2 m m ，向下游移动了9 4 m m ，且右岸各跺陆续出现太裂缝，其原 因是右岸基岩发生错动。对此，及时在垂线仪监测下放空水库进行加固处理，从而避免了一 场溃坝事故。1 9 8 1 年8 月，黄河上游龙羊峡水电站遭遇1 5 0 年一遇的特大洪水，根据埋设在 围堰混凝土心墙中的4 8 支观测仪器提供的测量数据可知围堰工作性态异常，于是做出加高围 河北农业大学硕士学位论文 堰4 m 的抗洪决策，确保了工程安全施工和渡汛。1 9 8 5 年在长江三峡的新滩，发生大滑坡， 但是由于安全监测所做出的准确预报，险区的居民全部提前撤离危险区，人员无伤亡。 根据以上正反两方面的事例充分说明了结构健康安全监测的重要性，安全监测系统能及 时发现工程隐患m 。1 ，可以避免工程事故的发生或减少人员伤亡、财产损失。 1 2 国内外研究现状 国内外对渡槽监测的报道和研究很少，这大抵是因为一般渡槽大多为灌区的渠系建筑物， 规模较小，失事后影响相对较小，而且实施监测投资过离的原因。而近年实施的跨流域调水 工程，特别是像南水北调这样的世界级工程，工程规模非常大，结构安全十分重要，实施安 全监测是必须的。目前正在施工的漕河渡槽安装了预应力测力计、钢筋计等仪器来监控施工 期钢筋及混凝士的应力变化口1 。“。尚未动工的沼河渡槽等一些大型渡槽已经进行了较为完善 的监测设计。从国内外安全监测的现状来看，很多工程尽管已安装了监测设备进行了监测， 但监测数据都存在数据库中，并没有得到很好的分析，笔者认为监测理论不完善是造成这种 现象的重要原因之一。有关安全监测的研究和应用大多是针对桥梁和大坝的，但是我们可以 把桥梁和大坝安全监测的成功经验、先进的监测理念和方法拿过来作为研究渡槽安全监测模 型、制定监控指标的参考和借鉴。 国内外工程结构监测工作的发展重点包括监测仪器设备以及监测资料的分析、处理理论 与方法等。在坝工监测方面，意大利的法那林和葡萄牙的罗卡等从1 9 5 5 年开始用统计回归方 法分析大坝的变形观测资料，1 9 7 7 年法那林等又提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合 模型，将有限元计算值与观测值有机结合起来，来监控大坝的安全状况。近2 0 年来，随着计 算机技术的快速发展，统计回归模型、确定性模型、混合模型得到了广泛的应用”。 在大坝安全监测资料分析领域，晟初主要是定性分析，通过对实测过程线和简单统计的 特征值来分析大坝的运行状况。1 9 7 4 年以后，陈久宇p ”等开始用统计回归的方法分析大坝安 全监测资料，并对时效变化进行研究，提出了指数模型、双曲函数模型、对数模型、线性模 型等；吴中如”“等在大坝原型观测资料的分析方法和数学监控模型( 统计模型、确定性模型、 混合模型) 的建立方面作了大量的工作，取得了丰富的成果。8 0 年代以来，灰色理论、模糊 数学、人工神经网络、滤波法等理论被纷纷引入到大坝的安全监控领域。1 9 8 2 年，邓聚龙教 授第一次在国际上提出了灰色系统理论”“( g r e ys y s t e m ) ，后来这一理论逐渐被引入到大坝监 测工作中。齐长鑫、蓝悦明用灰色理论建立了位移预测模型；徐晖”4 1 等则对大坝形态的灰色 关联分析和监测资料的模型预测进行了研究；同时模糊聚类分析、似然推理、模糊综合评判 等模糊数学方法也在大坝观测资料的分析处理和模型预测方面得到了应用。如李珍照9 别等在 1 9 9 1 年提出了用模糊数学进行资料分析的思路，并提出了大坝观测数据模糊识别的方法和步 骤。近几年，人工神经网络理论1 在大坝安全监控领域得到了普遍的应用。神经网络模型属 于隐式模型有很强的自组织、自适应能力，并具有高度的非线性，研究表明，用神经网络 对大坝变形和渗流等进行拟合、预报，其精度优于传统的统计模型。陈继光等采用模糊近 似推论后的隶属度作为b p 神经网的输出神经元，实现了位移量的预报；赵斌、杨杰9 ”等对b p 网络在大坝监测资料处理中的应用作了探讨；邓念武、吴云芳9 “分别采用改进的b p 网络模型 大型渡槽安全监测模型的初步研究 对大坝变形进行了预测和分析。针对单测点模型没有考虑测点的位置及测点之间相互联系， 难以反映在任何荷载组合作用下的空间位移场的问题，一些学者在单测点模型的基础上，研 究和发展了多测点模型和多维模型。吴中如、顾冲时 3 9 - 4 2 等通过引入空间三维坐标，提出混 凝土坝空间位移场的时空分布模型，从而将单测点模型拓宽至空间三维；李珍照 4 3 4 6 等提出 了重力坝变形的一维、二维多测点模型，主要研究水压、温度及时效各影响分量的构造。此 外还有学者提出大坝安全监控的数字滤波模型、优化组合模型、岭回归与主成分分析回归模 型等。 在大坝安全监测工作开展的同时，国内外桥梁的健康监测也有了很大的发展。 8 0 年代中期开始各种规模的桥粱安全监测系统的建立。英国在总长5 5 2 米的f o y l e 【4 7 。5 5 】 大桥上布置了各种传感器，用来监测桥梁在运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠 度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场，该系统是最早安装的较为完整的安全监测 系统之一。建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的s k a m s u n d e r 斜拉桥( 主跨5 3 0m ) 、英 国主跨4 4 0 m 的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 斜拉桥、丹麦主跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬索桥、 英国主跨1 9 4 m 的f l i n t s h i r e 独塔斜拉桥、以及加拿大的c o n f e d e r a t i o nb r i d g e 桥。我国自9 0 年 代起也在一些大型桥梁上建立了不同规模的结构监测系统。香港青马大桥 5 6 5 7 5 8 健康监测系统 永久性的安装了8 0 0 多个传感器用于监测桥粱的健康状况及使用状况；香港在汲水门斜拉桥 上安装了2 7 0 多个各种类型的传感器和数据采集与管理设备组成的监测系统来监测桥梁的运 营状况及健康状态，对该系统所采集到的数据进行分析即可评价大桥的动力特性：上海徐浦 大桥结构状态监测包括测量车辆荷载、温度、挠度、应变、主粱振动、斜拉索振动六个子系 统。还有虎门大桥、江阴大桥等都建立了健康监测系统。 渡槽在结构上与桥梁类似，所以又被称为“渡水桥”，渡槽的监测也与桥梁有很多相似之 处，如监测项目、位置、仪器种类、型号等，但渡槽也有与桥梁的不同之处，比如荷载不完 全相同而且渡槽的上部结构往往比桥更复杂。 1 3 本文研究的主要内容 ( 1 ) 概述大型渡槽结构的监测理论及方法； ( 2 ) 通过对监测模型的比较选择适当的模型： ( 3 ) 利用有限元的方法建立大型预应力渡槽结构的线性静力计算分析模型： ( 4 ) 设计足够的计算方案，根据计算数据，利用多元回归分析方法建立渡槽初步的安全 监测模型； ( 5 ) 将模型预测值与有限元计算值比较，验证模型在有限元计算范围内的正确性。 河北农业大学硕士学位论文 2 大型渡槽安全监测的基本理论方法和模型 2 1 大型渡槽安全监控的目的、内容和监测项目 2 1 1 目的 渡槽安全监测的目的，一是为了及时掌握渡槽在施工期、第一次过水和运行期的工作性 态为渡槽安全及时提供信息。二是预报作用，在事故发生之前进行预测、预警。以便及时 采取措施，避免事故的发生。三是反馈设计旌工，为检验设计和结构的健康状况给出评估， 从而对修改设计提供参数，为及时指导船工，监督工程质量提供依据，形成勘测设计一施工 一原型监测的闭路循环。我国目前还没有渡槽的设计规范，因此对大型的渡槽工程建立完备 的安全监测系统，对主要监测点建立相应的监测模型并制定可操作性较好的监控指标，对保 障结构的运行安全具有重要的意义，同时也是改进设计的重要手段。 2 1 2 监测系统内容 完整的监测体系应该包括三个方面：第。有一套科学的监测设备，能实时地采集反映 建筑物健康状况的的有效数据。第二，精度较高的监测模型，能对监测数据进行合理的分析 处理。第三，可操作性较好的监控指标，能对建筑物的工作性态做出正确的评价，观测资料 必须加以判别才有信息价值，观测若无相应的判断标准就起不到诊断、预警作用。 2 1 3 监测项目及监测布置 安全监测设计的基本设计要求是及时预报或发现安全隐患，以便及时进行加固和完善处 理。根据这一要求，参照有关监测规范，确定安全监测设计原则如下： ( 1 ) 监测系统应由仪器观测和人工巡视检查两部分组成，互为补充： ( 2 ) 监测断面应选择渡槽的关键性部位和有代表性的部位，以便能及时发现隐患和收集 到各建筑物工作状况的信息； ( 3 ) 监测仪器的选择在满足精度的要求下，应做到可靠、耐久、经济、实用； ( 4 ) 监测仪器的埋设应尽量结合现场的实际情况，应在妥善埋置，安全可用的前提下， 方便施工； ( 5 ) 电缆和观测站的布置应尽量优化，以便节省投资，便于观测； ( 6 ) 要求施工期观测和永久观测相结合，从施工期就为运行期实行联机实施自动化监测 创造条件； ( 7 ) 对所测资料应及时整理、分析，并上报主管部门以便能及时发现不安全因素，及 时采取有效的处理措施。 为了及时而又全面的掌握渡槽结构的安全信息，制定科学的监测方案，合理地布设监测 点非常重要。 4 大型渡槽安全监测模型的韧步研究 渡槽从构造上分为上部结构和下部结构，因此渡槽的监测项目又可以分为上部结构的监 测和下部结构的监测。上部结构为槽身和支座，下部结构为槽墩和基础。下面从上部结构和 下部结构两方面详细叙述渡槽监测的项目。 ( 1 ) 上部结构 槽身的监测包括混凝土的应力、应变监测、预应力的变化监测、粱的挠度监测和临跨 之间的接缝检测【5 “”。 应力应变采用应变计进行监测，粱式渡槽监测断面应设置在1 2 跨、1 4 跨和j i g 跨， 且考虑结构的对称性只监测半跨的受力状况( 两半跨互相校验) 。 预应力监测”包括纵向、横向和竖向预应力监测，以纵向预应力监测为主。所采用的 监测仪器主要是预应力锚索测力计，同时在预应力混凝土中布设应变计来间接反映预应力的 变化。 挠度采用静力水准系统进行监测，每个观测槽段布设六个测点测点设在粱底。基准 点设在粱端，测点分别设在1 2 跨、1 4 跨、1 1 8 跨及梁端。在粱顶相应部位均设有水准点便 于定性地校核挠度变化。 支座位移监测，监测槽墩支座在水压等荷载作用下的位移，为渡槽的的安全运营、寿 命评估以及支座更换提供依据。 ( 2 ) 下部结构 渡槽下部结构包括槽墩、承台、桩基础。下部结构承担着水荷载、上部结构的自重，通 过基础将荷载传给地基，下部结构的工作状态对结构的稳定安全起着决定性作用 6 6 , i f t 。下部结 构的监测包括槽墩的沉降量监测、桩基础周围地面变形和开裂情况。 ( 3 ) 环境量的监测 渡槽所处环境温度监测。渡槽结构在太阳照射下，各部分温度有很大差别而且昼夜温 差也较大。当环境温度和日照方向发生变化时，渡槽结构的温度也会随之变化。由于渡槽是 输水建筑物，迎水面和背水面、水位以下和水位以上槽体温度又有差异，渡槽的温度又跟槽 中水位、水温有关，所以渡槽的温度分布十分复杂。一股说来，材料的温度变化将会引起构 件的变形，当构件的变形受到限制时，构件内部应力就会发生变化。通过对温度场分布状况 的监测，可以为渡槽设计中温度影响的计算提供原始数据：对不同温度状态下渡槽工作状态 的变化如渡槽变形、应力分布等进行比较和定量分析，对于渡槽设计理论的验证和改进均 具有积极意义。 槽址处的风速风向监测。对于大型渡槽的施工和运营，风荷载是个不可忽略的影响因 素，它将会引起主梁的颤振。在大跨度结构的的发展历程中曾有过不少因风荷载作用引发 的结构失稳的事例因此渡槽健康监测系统必须实时监测风速和风向。 2 2 大型渡槽安全监测模型 收集有实际价值的数据对建筑物的安全固然很重要，但关键是如何及时地利用数值方法 解释这些数据，这种解释并不纯粹是根据经验，而是依据理论模型对建筑物的性状做出评价， 5 河北农业太学硕士学位论文 进而做出建筑物正常与否的判断j ，其基本方法是对建筑物关键部位监测项目的监测数据建 立理论模型，然后对建筑物在某一条件下的效应量( 位移或变形) 进行预测，当在同样条件 下取得的实际监测值与理论模型预测值之差在一个允许的范围内时，就认为该建筑物是安全 的。 监测模型是对建筑物的效应量建立起来的具有一定形式和构造的数学式，这种数学方程 能反映建筑物效应量的变化规律，确定建筑物效应量与环境变量之间的确定性关系或统计关 系“。依据监测模型，依照特定的分析目的和要求，便可定量的掌握建筑物的工作性态，对 建筑物安全情况做出判断进而实现对建筑物的安全监控。近年来，各种监测模型在水工建筑 物的安全监测工作中得到了广泛的应用。 监测模型从原理上可以分为三种类型：确定性模型、统计学模型和混合模型。 22 1 确定性模型 确定性模型是一种先验模型，它是以水工计算理论为基础，依据建筑物的环境条件、所 受作用情况、结构特性、材料的力学性能及其因果关系通过结构分析计算( 结构力学方法、 有限元法等) 建立的。确定性模型又称为设计模型，是根据设计要求用有限元的方法计算建 筑物重要部位的效应量，即能表征建筑物和基础性状的效应量及其在外界条件作用下的变化 幅度。用这些计算值可以作为预报值尤其在渡槽完建第一次通水时将这些预报值作为监控 指标尤其重要，这是确定性模型作为先验模型的优点。确定性模型从本质上反映了建筑物在 旌工及运行状态下效应量的变化规律。确定性模型能对渡槽结构的效应量产生的机理做出定 量的分析和解释7 1 “7 3 3 。但正如前面所指出的，由于结构材料性能、荷载存在一定的不确定性， 作用与效应间的关系也作了较多假定和简化，因此影响确定性模型精度的最大问题是有限元 的计算结果与原型的差别大小。 建立确定性模型的基本假定和原理 ( 1 ) 对效应量分析的时段内，结构及基础不会有太的性能变化。 ( 2 ) 渡槽的变形处于线弹性范围内7 4 - 7 8 ，即由起决定作用的原因量的变化所引起的是弹 性性质的变化。 ( 3 ) 在正常运行情况下，起决定作用的原因量是槽内水位和温度两者的变化，其效应是 可逆的，可以分别分段分析进行线性叠加。 ( 4 ) 渡槽的温度变化周期为一年。 在外荷载作用下，渡槽的任点产生位移矢量、应力矢量，根据效应量产生的原因，可 以用下式来表示： y = 厶( t ) + 矗( t ) + 厶( t ) 其中f h ( r ) 、冉( f ) 、厶( f ) 分别为水压分量、温度分量、时效分量 在确定性模型中以上各分量都可以通过有限元的计算方法来求出。 ( 1 ) 水压分量 用有限元计算渡槽不同水位下的位移、应力值，然后用关于水位的n 次多项式拟合。 ( 2 ) 温度分量 6 犬型渡槽安全监月4 模型的初步研究 温度分量是由于渡槽结构混凝土的变温所引起，在结构的位移、应力和应变效应量中也 占了较大的比重，因此温度分量的计算对模型的精度也有很大的影响。 用有限元计算渡槽的温度场分布场和相应的位移场、应力场，建立位移、应力的确定陛 模型。 ( 3 ) 时效分量 时效分量是由于渡槽长时间承受疲劳荷载引起结构朝某一方向发展的不可逆效应量的分 量。比如结构的塑性变形删，理论上时效分量可以非线性有限元的方法计算，但是由于影响 时效分量的因素复杂，目前一般仍采用统计的方法推求这一分量。 2 2 2 统计模型 统计模型是根据收集到的较长时间的监测资料将效应量作为随机变量，用统计学的方 法建立的定量描述建筑物监测值变化规律的数学方程，是建筑物实际工作性态的抽象和简化。 可以采用统计回归模型、时序分析模型、灰色系统模型、模糊数学模型和神经元模型等。统 计模型建模简单使用方便，又有成熟的应用经验，所以在国内外监测工作中得到了广泛的 应用。但是统计模型也有以下缺点j ： ( 1 ) 需要较长时间的监测资料，如果监测资料系列较短或在监测资料范围内建筑物没有 遭遇不利荷载，用这些监测资料建立的统计模型不能监控结构的安全状况。 ( 2 ) 统计回归模型只是采用数学的方法建立的模型，没有联系建筑物的结构状态，物理 概念不明确。 ( 3 ) 由于随机因素的影响，这些模型的外延预报时间较短，精度不高。 22 3 混合模型 渡槽的效应量受环境因素的影响，它是众多环境因素共同作用下的综合反映。影响渡槽 的效应监测量的因素很多，有些环境因素与效应量间的关系是明确的，通过相应的物理力学 模型可以建立这些环境自变量与效应量间的函数关系式：另一些环境因素与效应量间的关系 尚不明确，采用相应的物理力学模型难以建立这些环境自变量与效应量间的确定性关系式。 因此，在建立建筑物效应监测量数学模型时，部分环境影响分量可由物理力学模型计算确定， 另一部分环境影响分量形式由统计方法给出，这样得到的数学模型即为混合模型。 本文以南水北谓中线工程中的大型渡槽结构一埃河渡槽为对象进行监测模型的研究，由 于工程尚未施工，故研究确定性模型，以供旖工期和初始运行期监测分析之用。 河北农业大学硕士学位论文 3 大型预应力梁式渡槽的结构分析一以沼河渡槽为例 确定性模型是以结构的力学分析计算为基础的，即需要结构计算( 如有限元计算) 的数 据结果建立模型。南水北调中线工程的渡槽多采用梁式渡槽，输水的同时兼起承重作用，跨 度较大，为了避免出现裂缝，大多都采用预应力混凝土结构，其三向受力明显，采用常规的 力学方法计算渡槽结构的内力情况，往往要做很多简化，计算的结果很难与结构的实际受力 情况相符，为此本文将以溶河渡槽为例采用有限元法来对大型预应力粱式渡槽结构进行分析、 计算。 3 1 工程概况 涪河渡槽位于河北永年县城西邓底村与台口村之间的沼河上，是南水北调中线工程一座 大型的交叉建筑物。通过设计流量2 5 0 m 3 s ，加大流量2 3 0 m s ，属于i 级建筑物。槽总长8 8 5 m ， 进口段长8 51 1 ，出口段长1 2 0 m ，槽身段长6 8 0 m 。槽身段由槽身、支承墩、基础组成。槽身 纵向为1 7 跨简支梁结构，单跨长4 0 m 。槽身为预应力钢筋混凝士结构，混凝土强度等级c 5 0 。 槽身横向断面为三槽一联矩形槽，净宽3 m x 7 m 。总宽2 5 3 m 。槽身纵坡1 1 3 9 0 0 ，槽内设计水 深5 6 6 2 m ，加大水深6 0 3 m ，槽身侧墙高8 3 m 中墙厚o 7 m ，边墙厚o 6 m ，墙顶设翼缘板和 拉杆，中墙板宽3 o m ，边墙板宽2 ，7 m 。墙顶设拉杆，断面为0 5 m o 3 m ，间距2 5 m 。渡槽底 板厚0 4 m ，底板下设横粱断面为0 6 r a x o 4 m ，间距2 5 m 。为布置纵向预应力钢筋，槽身中 墙和边墙底部加高形成宽1 5 m 和1 3 m ，高1 5 m 的底部大粱，底部大梁在端部支座部位局部 加高至2 3 m 。槽身具体尺寸见图l 、图2 。 8 酋辎3 0 x 5 0 拉杆 ! ：! ! 型坠 1 她蛰亚w 4 0 0 0 0 图1 槽身纵向剖面囝 大型渡槽安全监测模型的初步研究 3 2 预应力筋的布置 圈2 槽身横断面图 渡槽为纵、横、竖三向预应力体系。纵、横向预应力体系采用高强度低松弛钢绞线预 应力孔道采用塑料波纹管制孔。边墙、中墙纵向束为7 刊1 5 2 钢绞线，群锚锚固体系，底板 纵向为5 1 5 2 钢绞线，扁锚锚固体系，横向均采用7 中1 5 2 钢绞线，群锚锚固体系。竖向 预应力体系采用中3 2 精轧螺纹钢筋，采用铁皮管制孔，j l m 锚固体系。 纵向预应力体系：每个边梁底部配置1 8 束7 。o 1 5 2 钢绞线，每个中梁底部配置3 0 束7 c d j l 5 2 钢绞线，边、中梁均采用5 束弯起束，弯起柬锚具沿墙体均匀布置，每个边、中墙顶 缘板布置3 束7 中j 】5 2 钢绞线。边槽及中槽沿底板中心线纵向均匀布置1 0 柬4 叫1 5 2 钢绞 线。纵向预应力均采用外锚固，利用二期混凝土封锚。 横向预应力体系：边次粱顶部及底部各布置5 柬7 中3 1 5 2 钢绞线，中间次梁顶面布置4 束7 0 1j 5 2 钢绞线，其中中间两束在跨中下弯至形心轴附近，底面布置2 束7 巾j 1 5 2 钢绞线。 纵向及横向预应力束均采用两端张拉。横向预应力钢绞线均采用内锚固。 竖向预应力体系：竖向预应力采用中3 2 精轧全螺纹粗钢筋，边墙外侧布置中3 2 4 0 0 m m 精轧全螺纹粗钢筋，边墙肉侧布置中3 2 2 5 0 m m 精轧全螺纹褪钢筋，中墙两侧均匀布置中 3 2 3 0 0 r r t m 精轧全螺纹粗钢筋。竖向预应力束采用顶端张拉，内锚固。 预应力筋的具体布置见图3 、图4 、图5 。 9 河北农业大学硕士学位论文 1 0 蚕 萝 巫 啦 谣 墨 ：割 娶 号 蜚 kk 。i 越ij 州 斟 e 刚 圈 ，一i 一 l ， 冒，l ：、l 翻 寸 o r 一 、 回 1 由 氍鞠9 9 回国日曰回日固a曰 旧目 雹 谭 鹭l 置 一甏l ?f 一 裁 _-一 一 一；) 一 型；穿刊i 到型 蓦 芎 游 17 心 、j 目 鱼雾三 目 ， i 蛰蜜 南嚣。耄匠 _ 玎“ 圉3 预应力总体布置图 查型鎏兰塞尘鉴型茎型竺塑生竺查 鞴 辩 雷4 纵向预应力筋布置图 柯北农业太学硕士学位论文 图5 横向预应力筋布置囤 r 曼8 匡_ 一 。，一。，、，一， 浮 巴一 一 i 一 | i 誊 i 一 一 一 i l n e i ； 目 一l i 篷 i _ 一i = 二i 二 多 目_ ： i 自_ 一 l i 耵| ； g _ ： i l 颦。l _ = i = i e 目 一 匕 e = i _ i i _ i - h ； ； i l i i _ i 目 i 目 f -_ ： i i w、 l哥 瞪t 霹善)二il ，习$1 7 、。、。、对、稻m 1磕f 4 、。+ 、。、。、前、7 一 ：匝蛳簧一兽d长强器屋悉蟮世趟r鐾器星颦 2 大型渡槽安全监翅i 模型的初步研究 3 3 建立渡槽有限元线性静力分析模型 3 3 1 有限元方法原理 有限单元法是在= 十世纪六、七十年代随着计算机的发展而发展起来的数值分析方法，它解 决了许多以前传统力学方法无法解决的复杂的工程问题。晟初人们年用计算机求解杆系结构力法 和位移法的基本方程，形成了矩阵力法和矩阵位移法，随之又将矩阵分析方法推广到连续介质， 将介质离散成有限个单元，各单元彼此在节点处相连，从而使无限自由度的问题变成可以求解的 有限自由度问题f “】。有限单元可以用来分析十分复杂的实际的工程结构，又可以模拟复杂的材料 本构关系、荷载以及边界条件，而且随着有限元前处理、后处理技术的发展，应用起来也越来越 方便，因此有限单元法在工程界得到了广泛的应用。 有限单元法的最终目的是建立单元刚度矩阵和荷载向量，形成有限单元中的求解方程。 有限元方法求解的基本步骤如下： ( 1 ) 连续介质的离散化：用有限个具有定形状的单元的组合体去代替原结构体，原结构 的材料属性保持不变。 ( 2 ) 选择适当的位移函数，用单元结点位移表示单元内任一点的位移，其矩阵形式为： 僻= 弛。) 式中： j 一单元内任意一点的位移向量； “， 一单元节点的位移向量： j ni 一单元形函数矩阵； ( 3 ) 建立节点位移与应力、应变之间的关系： 首先通过位移函数用节点位移表示单元内任一点的应变：忙) = 陋斟 其中： 一单元内任一点的应变 i 驯一单元应变转换矩阵 由虎克定律推导出单元内任一点的应力与节点位移之间的关系式： 料= 【d d 】c 升 盯 一单元内任一点应力 l dl 一与材料属性有关的弹性矩阵 ( 4 ) 根据能量原理，用等效节点力代替单元应力，并利用单元应力与节点位移之问的关系， 建立等效节点力与节点位移之间的关系。 ( 5 ) 将单元所受荷载，按静力等效原则转化到节点上。 ( 6 ) 在每一节点建立静力平衡方程，形成线性方程组。 ( 7 ) 解方程组，求出单元节点位移，进而求出单元的应力。 3 3 2a n s y s 程序简介 a n s y s 是国际土羞名鲍筮为常用的大型通用有限元软件之一，是由美国匹兹堡大学力学系 河北农业大学硕士学位论文 教授j o h ns w a n s o n 于1 9 7 0 年开发的”，具有功能强大。应用广泛的特点。它不但可以用来作结 构分析，还可以进行热力学、流体、电磁场、声场和耦合场分析，涵盖了水利、土木、交通、机 械、航天等众多领域。a n s y s 主要由前处理模块、分析计算模块、后处理模块三个部分组成。 前处理模块提供了强大的建立模型和划分网格的工具，利用它用户可以很方便地建立自己所需要 的有限元模型”；分析计算模块提供了各种求解器，用户可根据需要选择合适的求解器；a n s y s 有强大的后处理功能，在后处理层，用户可以通过列表、图示、等值线各种方式来显示结果。软 件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。a n s y s 有命令流、菜单 搡作两种操作方式惮l ，如果用户熟悉命令流，可以非常快捷有效地分析自己的问题，生成的命令 流文件记录了从开始到结束的每一个命令，便于以后的查错修改，而且易于携带、便于交流；菜 单操作在后处理模块则显出很大的优势，利用菜单操作可以很方便地进行元素选取、图示及图形 处理等。a n s y s 分析问题分以下三个步骤进行： ( 1 ) 前处理：建立或导入几何模型，对几何模型划分网格。 ( 2 ) 求解：掩加荷载，求解。 ( 3 ) 后处理：提取计算结果并进行分析。 3 3 3a n s y s 中预应力混凝土结构的模拟方法 预应力混凝土结构的结构分析中需要考虑混凝土和预应力筋两种单元及其之间的相互作用， 应用a n s y s 的处理方法主要有等效荷载法与实体力筋法两种。 所谓等效荷载法，就是将预应力筋的作用以荷载的形式作用于混凝土结构：所谓实体力筋法 就是用s o f i d 模拟混凝土，而r i n k 模拟力筋。 ( 1 ) 等效荷载法 优点是建模简单，不必考虑力筋的其体位置而可直接建模，网格划分简单；对结构的在预应力作 用下的整体效应比较容易求得。 其主要缺点是： 等效荷载法没有考虑力筋对混凝土的作用分布和方向，力筋对混凝土作用显然在各处是不 同的等效荷载法则无法考虑：水平均布分量没有考虑。 对某些线形的力筋模拟困难，例如通常采用的是直线( 较短) + 曲线+ 直线( 很长) + 曲线+ 直 线( 较短) ，这种形式的布筋等效起来麻烦，且可能不合理。 难以求得结构缅部受力反映，否贝0 荷载必须赭加在力筋的位置上，这叉失去建模的方便性。 在外荷载作用下共同作用难以考虑，不能确定力筋在外荷载作用下的应力增量。 对张拉过程无法模拟。 无法模拟应力损失引起的力筋各处应力不等的因素。 其最大的一个缺点是得到的结果与实际情况误差较大! ( 2 ) 实体力筋法 将混凝土和力筋划分为不同的单元，预应力的模拟可以采用降温方法和初应变方法。降温 方法比较简单，同时可以模拟力筋的损失，单元和实常数几种即可；初应变通常不能考虑预应力 损失，否则每个单元的实常数各不相等工作量较大。实体力筋法可消灭等效荷载法的缺点，但 1 4 大型渡槽安全监测模型的初步研究 建模工作量要大些。有两种处理方法一是体分割法，二是采用独立建模耦合法。 体分割法：用工作平面和力筋线拖拉形成的一个面，将体积分割( d i v i d e ) ，分割后体上的一条 线定义为力筋线。这样不断分割下去，最终形成许多复杂的体和多条力筋线2 ”，然后分别进行单 元划分施加预应力、荷载、边界条件后求解。这种方法是基于几何模型的处理，即几何模型为 一体。力筋位置准确，求解结果精确，但当力筋线形复杂时，建模特别麻烦。 节点耦合法：该法的基本思想是实体和力筋独立建几何模型分别划分单元，然后采用耦合 方程将力筋单元和实体单元联系起来，这种方法是基于有限元模型的处理。其基本步骤如下： 建立实体几何模型( 不用考虑力筋的位置) ： 建立力筋线的几何模型( 不考虑实体的存在) ； 将几何模型按一定的要求划分单元( 这时也是各自独立的) ； 选择所有力筋线： 选择与上述力筋相关的节点，并定义选择集； 将上述力筋节点存入数组； 选择所有节点，并去掉中的节点集( 这时是除力筋节点外的所有节点) ： 按力筋节点数组搜寻所有最近的实体节点号，并存入数组中： 耦合力筋节点与最近的节点，一一耦合。 选择所有，并施加边界条件和苟载，可以求解了“】。 耦合程序代码( a p d l 语言) l s e l s ，m x ! 选择钢筋线 n s l l ，s ，l ! 选择钢筋线上的节点 c m , c m l j n o d , n o d e ! 定义选择集 * g e t , r n a x l ，n o d e ，0 ，c o u n t ! 得到选择集中的节点数目 * d i m , o j d 。m a x l ! 定义数组o j d ( m a ) 1 ) ，用来储存钢筋节点号 * d i m j d ，m a x l ! 定义数组j d ( r m x l ) 用来储存混凝节点号 * g e t , n o d l ，n o d e ，0 ，n u