钢筋混凝土管道的弹性分析计算

钢筋混凝土管道的弹性分析计算

一.三峡背管相关资料

1.工程概况

该电站为巨型水电站，坝型为混凝土重力坝。坝高145m,坝顶高程185m,正

常蓄水位175m,坝段宽25m。采用坝后式厂房，装机26台，采用单机单管形

式，单机容量700MW。电站压力管道管径为12.4m,，。值为1730m2。压力管

道采用坝后背管布置形式，在下游坝面预留浅槽，管道埋入坝面以内约1/2管径。

压力管道背管部分采用钢衬钢筋混凝土管形式，管道规模大，结构新颖，技术复

杂，管道工作条件十分复杂。

2.材料及参数

3

管道钢衬采用16MnR钢板，板厚30mm,E=210GPa,u=0.3,P=0.0078Mkg/mo

2.0m,标号衲C30,E=255GPa,U=0,167,P=0.0025Mkg/m3o坝

体混凝土标号C20,材料参数查混凝土设计规范。查规范后取C20混凝土

E=20.0Gpa,P=0.167,P=0.0024Mkg/m3

图1三峡下游坝面钢衬钢筋混凝土管道几何模型

结构计算模型

计算模型采用三维空间立体结构来模拟，纵向长度取为40m。共划分网格7020

个，节点总数7942个。网格总数及密度基本上能满足运算精度要求。划分网格

中采用的单元类型分别为PLANE42,SHELL63和SOUD45。其中钢管网格划分采

用壳单元，其对应的实常数取壳体单元的厚度为0.03m,即四个节点等厚度。

图2：钢管混凝土计算网格模型

三.具体计算流程

计算过程分为两个工况：1）完建期2）运行期

其对应的荷载分别为：1）完建期=自重

2）运行期=自重+内水压力

分别计算分析该模型在对应荷载作用下的变形及受力特点。其中材料特性单位局

采用标准单位。即：长度：m；弹性模量E:Mpa；密度P：Mkg/水的容重?：

水的容重/取为0.0098。由于压力水头为50m,故内水压力

yxh=0.0098x50=0.49

对于该问题边界约束施加为：X向左右两侧UX向约束；

Y向模型底部全约束；

下面为模型建立及计算的APDL命令流：

/BATCH

/PREP7

!!!!模型建立部分

!!!!模型建立部分

!关键点坐标

k,,0,0,0

k〃25,0,0

k〃25,15.07,0

k〃0,15.07,0

k〃4.3,8.6,0

k〃20.7,8.6,0

k〃20.7,16.8,0

k〃4.3,16.8,0

k〃12.5,16.8,0

!生成线，面

LSTR,4,1

LSTR,1,2

LSTR,2,3

LSTR,3,4

LSTR,5,6

LSTR,6,7

LSTR,7,8

LSTR,8,5

FLS7；2,4,4

FITEM,2,1

FITEM,2,2

FITEM,2,3

FITEM,2,4

AL,P51X

FLST2,4,4

FITEM,2,8

FITEM25

FITEM,2,6

FITEM,2,7

AL,P51X

CYL4,12.5,16.8,8.2

ASBL,3,7

ADELE,5,,,1

CYL4,12.5,16.8,6.2

FLST,2,3,5,ORDE,2

FITEM,2,2

FITEM,2,-4

APTN,P51X

FLS7；2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,5

FITEM,2r6

ADELE,P51X,,,1

FLSI；324QRDE,2

FITEM,3,14

FITEM,3,-15

ASBL,1,P51X

ADELE,2,,,1

ALLSEL,ALL

FLST,2,3,5,ORDE,3

FITEM23

FITEM,27

FITEM,2r8

A0VLAP,P51X

WPSTYLE〃〃〃,,1

KWPAVE,5

wpro,,-90.000000,

ASBW5

KWPAVE,16

wpro/z/90.000000

FLST,2,3,5,ORDE,3

FITEM,2,4

FITEM,2,7

FITEM,2,-8

ASBWP51X

KWPAVE,5

ASBW11

KWPAVE,6

ASBW13

LSTR,9,5

LSTR,9,6

LPLOT

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,10

FITEM,2,12

FLST,3,2,4QRDE,2

FITEM,3,33

FITEM,3,37

ASBL,P51X,P51X

NUMMRG,ALL,,,,LOW

!指定单元类型

ET,1,PLANE42

ET,2,SHELL63

R,1,0.03,0.03,0.03,0.03,,,

E7；3,SOLID45

!!!!网格划分部分

!!!!网格划分部分

!划分网格

TYPE,1

MAT,

REAL,1

ESYS,0

SECNUM,

FLS[5,5,4,ORDE,5

FITEM,5,1

FITEM,5,18

FITEM,5,20

FITEM,5,-21

FITEM524

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL„_Y

LESZE,_Y1,,4,,,,O

FLST,5,3,4,ORDE,3

FITEM,5,29

FITEM,5,38

FITEM,5,40

CM-YLINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,,_Y

LESIZE,_Y1,,,6,,,,,O

FLS[5,4,4,ORDE,4

FITEM,5,H

FITEM,5,-12

FITEM5"

FITEM,5,19

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL〃_Y

LESIZE,_Y1,,」2,,,,,O

FLST5,8,4,ORDE,7

FITEM,5,3

FITEM,5,25

FITEM,5z-26

FITEM,5,32

FITEM,5,39

FITEM,5,41

FITEMz5,-43

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL-Y

LESIZE,_Y1,,,8,,,,,O

FLSTZ5,4,4,ORDE,4

FITEM,5,8

FITEM514

FITEM527

FITEM,5,-28

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL-Y

LESIZED,,,,。

FLST,554QRDE,5

FITEM,5,2

FITEM,5,15

FITEM,5,-16

FITEM531

FITEM,5,35

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL-Y

LESIZE-Yl,,,8,0,25,,,,0

FLST,5,3,4QRDE,3

FITEM,5,2

FITEM,5,31

FITEM,5,35

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL-Y

LESIZE-Yl,,,8,4,,,,0

MSHAPE,0,2D

MSHKEY,1

FLST,5,145ORDE,5

FITEM,5,1

FITEM,5,-9

FITEM,5,11

FITEM,5,13

FITEM,5,-16

CM,_Y,AREA

ASELZ//ZP51X

CM,_Y1,AREA

CHKMSH；AREA'

CMSEL,S,_Y

AMESH,_Y1

CMDELE,_Y

CMDELE,_Y1

CMDELE,_Y2

ALLSEL,ALL

NUMMRG,ALL,,,,LOW

!沿2方向拖拉形成体

VEXT,ALL,,,0,0,40,,〃

TYPE,3

MAT,

REAL,1

ESYS,0

SECNUM,

VSWEEP,ALL

ALLSEL,ALL

!清除多余的面网格

ACLEAR,ALL

!划分壳单元网格

FLST,5,8,5,ORDE,8

FITEM,5,18

FITEM,5,23

FITEM538

FITEM,5,53

FITEM,5,59

FITEM,5,62

FITEM,5,65

FITEM,5,67

ASELS-P51X

!形成钢管，外包，坝体组建，及N_UX,N_UY,N_UZ组建

TYPE,2

MAT,

REAL,1

ESYS,0

SECNUM,

AMESH,ALL

CM,A_gangguan,AREA

ALLSEL,ALL

FLST,5,4,6,ORDE,4

FITEM,5,1

FITEM5・2

FITEM,5,5

FITEM,5,9

VSEL,S,Z/P51X

CM,V_WAIBU,VOLU

ALLSEL,ALL

FLST,5,10,6,ORDE,6

FITEM,5,3

FITEM5-4

FITEM,5,6

FITEM,5r8

FITEM,5,10

FITEM,5,・14

VSEL,S///P51X

VPLOT

CM,V_BATI,VOLU

NSEL,S,LOC,X,0

NSEL,A,LOC,X,25

CM,N_UX,NODE

ALLSEL,ALL

NSEL,S,LOC,Y,0

CM,N_UY,NODE

ALLSEL,ALL

NSEL,S,LOC,Z,0

NSEL,A,LOC,Z,40

CM,N_UZ,NODE

ALLSEL,ALL

NUMMRG,ALL,,,,LOW

NUMCMP,ALL

!定义材料属性

MP,EX,1,210000

MP,PRXY,1Q3

MP,DENS,1,0.0078

MP,EX,2,25500

MP,PRXV,0.167

MP,DENS,2,0.0025

MP,EX,3,20000

MP,PRXY,3,0.167

MP,DENS,3,0.0024

!将材料赋给指定单元

CMSEL,S,A_GANGGUAN

ESL\4S

EMODIF,ALL,MAT,1

ALLSEL,ALL

CMSEL,S,V_WAIBU

ESLV,S

EMODIF,ALL,MATZ2

ALLSEL,ALL

CMSEL,S,V_BATI

ESLV,S

EMODIF,ALL,MAT,3

ALLSEL,ALL

/PNUM,MM；1

/REPLOT

!施加约束

D,N_UX,UX

D,N_UY,all

!TIME1施加重力荷载

FINISH

/SOL

ACELQ,9.8,0,

ALLSEL,ALL

/STATUS,SOLU

SOLVE

!TIME2施加内水压力荷载

CMSEL,S,A_GANGGUAN

NSLA,S,1

SF,ALL,PRES,・0.49

ALLSEL,ALL

/STATUS,SOLU

SOLVE

四.计算结果分析：

整个实体模型包括三部分，即：压力钢管，外包混凝土部分，坝体混凝土部分。

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:10:52

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

UX

TOP

RSYS=0

DMX403E-03

SMN=-.951E-04

SMX=.951E-04

A-.845E-04

B634E-04

C=-.422E-04

D=-.211E-04

E=-.309E-14

F=.211E-04

G-.422E-04

H634E-04

I=.845E-04

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:08:04

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME-1

UY

TOP

RSYS-0

DMX«.403E-03

SMN403E-03

A=".380E-03

B336E-03

C=-.291E-03

D=-.246E-03

E-.201E-03

F--.157E-03

G=-.112E-03

H-.671E-04

I«-.224E-04

全部UY

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:19:05

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

UZ

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-.335E-04

SMX=.335E-04

A=-.298E-04

B=-.223E-04

C-.149E-04

D«-.744E-05

E=.268E-12

F=.744E-05

G=.149E-04

H-.223E-04

I=.298E-04

uz沿侧向观察

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:24:54

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SX(AVG)

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-.778878

SMX=3.208

A-.55738

B=-.114384

C=.328612

D=.771608

E=1.215

F=1.658

G=2.101

H=2.544

I=2.987

外包混凝土X向应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:34:04

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SY(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-2.384

SMX=.443374

A=-2.227

B=-1.913

C=-1.599

D=-1.285

E=".97048

F=-.65629

G=-.3421

H=-.02791

I=.28628

外包混凝土Y向应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:39:54

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SZ(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN-2.202

SMX=8.093

A=-1.63

B=-.486552

C=.657369

D=1.801

E=2.945

F=4.089

G=5.233

H-6.377

I=7.521

外包混凝土z向应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:49:20

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SX(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-1.479

SMX=6.247

A=-1.05

B=".191763

C=.66668

D-1.525

E=2.384

F=3.242

G-4.1

H=4.959

I=5.817

压力管道上半部分X向应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:52:14

NODALSOLUTION

STEP-1

SUB=1

TIME=1

SX(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.197E-03

SMN-4.464

SMX=1.67

A=-4.123

B=-3.442

C*-2.76

D=-2.078

E=-1.397

F=-.715166

G=-.033582

H=.648003

I=1.33

压力管道下半部分X向应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

20:58:40

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SY(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN=-4.309

SMX=.947284

A=-4.017

B=-3.433

C=-2.849

D=-2.265

E=-1.681

F=-1.097

G=".512804

H=.071231

I=.655266

压力管道左半部分y向应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:01:24

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SY(AVG)

TOP

RSYS-0

DMX=.403E-03

SMN=-4.309

SMX=.947284

A-4.017

B-3.433

C=-2.849

D=-2.265

E=-1.681

F=-1.097

G=-.512804

H=.071231

I=.655266

压力管道右半部分y向应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:11:32

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB-1

TIME=1

SZ(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.403E-03

SMN«-4.417

SMX=16.162

A-3.274

B-.987015

C=1.3

D-3.586

E-5.873

F=8.159

G-10.446

H=12.732

I=15.019

压力管道上半部分z向应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:15:17

NODALSOLUTION

STEP-1

SUB=1

TIME=1

SZ(AVG)

TOP

RSYS=0

DMX=.169E-03

SMN=-15.536

SMX-4.408

A=-14.428

B=-12.212

C=-9.996

D=-7.78

E=-5.564

F=-3.348

G=-1.132

H-1.084

I=3.3

压力管道下半部分z向应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

次21:23:38

NODALSOLUTION

吆STEP-1

SUB=1

TIME=1

SI(AVG)

)TOP

DMX=.403E-03

SSMN020037

oA-16.162

B=.878976

C=2.677

D=4.475

E=6.273

F=8.071

G=9.869

H=11.667

I=13.465

=15.263

kI

o>

压力管道上半部分第一主应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:26:46

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SI(AVG)

TOP

DMX=.169E-03

SMN=".011316

SMX=4.408

A

=.234204

B

C=.725245

D=1.216

E=1.707

F=2.198

G=2.689

H=3.18

I=3.671

=4.163

压力管道下半部分第一主应力

ANSYS12.0.1

JAN42011

21:29:35

NODALSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME-1

S2(AVG)

TO?

DMX-.403E-03

SMN—2.799

SMX=6.247

A=-2.297

B-1.291

C=-.286397

D=.718673

E-1.724

F=2.729

G=3.734

H=4.739

I=5.744

压力管道上半部分第二主应力

ANSYS12.0.1

JAN42011