水利工程論文-大型地下鋼筋混凝土岔管結構優化分析摘要：本文根據巖體和混凝土襯砌聯合受力特點，系統地提出了大型地下鋼筋混凝土岔管結構優化分析方法。針對岔管空間幾何特征，結合三維有限元的原理，提出了采用程序分析判斷，自動生成各種不同類型的三維有限元地下鋼筋混凝土岔管結構網格的計算方法。該方法只須輸入幾個關鍵的控制參數，便能自動剖分所須岔管網格，為大型地下鋼筋混凝土岔管結構優化分析提供一種快速網格生成方法。根據巖體損傷開裂和彈塑性破壞特征，從巖體開挖應力擾動的塑性耗散能擴散理論和混凝土襯砌結構開裂損傷原理，提出了大型地下鋼筋混凝土岔管結構型式優化的評估方法。通過對工程實例分析，證明該方法能綜合反應地下鋼筋混凝土岔管結構型式和參數選擇以及岔管所處的地質環境和條件的影響，為優化地下鋼筋混凝土岔管結構合理型式提供了一種有效的分析方法。關鍵詞：地下岔管三維有限元結構優化地下鋼筋混凝土岔管結構是與圍巖聯合承載受力結構，采用常規的結構力學方法分析其襯砌型式，已不能充分考慮圍巖和襯砌聯合工作特性1。探討大PD值(P表示壓力管道承受的水壓力，D表示壓力管道的直徑)地下鋼筋混凝土岔管襯砌結構與圍巖聯合受力的優化分析方法，對合理選擇地下鋼筋混凝土岔管結構形式，提高岔管襯砌設計水平，縮短設計周期，加快施工進度，節省工程投資，簡化施工工藝，具有重要經濟和社會效應。本文根據巖體彈塑性破壞特征，采用巖體塑性耗散能評估地下鋼筋混凝土岔管結構開挖的合理型式；根據混凝土損傷開裂破壞特征，采用損傷應變能評估地下鋼筋混凝土岔管襯砌受力的優化型式；根據三維有限元的基本原理和空間幾何特征，采用交互式圖形顯示技術，對各種不同類型的地下鋼筋混凝土岔管結構的三維有限元網格進行自動生成，為大PD值地下鋼筋混凝土岔管結構優化分析提供一種快速和有效評估計算方法。1地下岔管結構優化分析有限元網格自動生成方法地下鋼筋混凝土岔管結構是一種復雜的多重介質空間結構，采用有限元數值方法進行優化分析時，首先須對地下鋼筋混凝土岔管結構進行離散化。復雜空間結構的三維有限元網格離散剖分工作是一項繁雜費時的工作，而且數據輸入時容易出現人為差錯。雖然國內有一些著名軟件如ViziCAD，AutoCAD具有較好的交互式繪圖功能，但是這些軟件往往需要有限元使用者有一定的建模技巧，同樣須花相當多的時間。當進行岔管結構優化分析時，每分析一個方案，都必須重新建模，對修改結構方案進行重新離散和重新組織數據，所以對優化參數的選擇和優化結構的判斷十分不便2。因此編制一個適應于各種不同類型的地下鋼筋混凝土岔管有限元網格自動生成程序，對岔管進行優化分析是十分重要的。地下岔管鋼筋混凝土岔管，襯砌與圍巖共同承載，因此網格剖分應包括襯砌和圍巖。為了適用于各種地下岔管襯砌與圍巖聯合承載的三維有限元網格自動生成，本文利用映射法原理編制岔管結構網格的自動生成程序。只要用戶給出結構輪廓的某些特征值，程序根據這些特征值，調用相關算法，即可進行網格的自動生成，不再需要用戶計算單元信息(包括各種約束信息、錨桿信息、受載面信息).因此大大減小了前處理工作量，節省了時間，降低了出錯率。使得地下岔管結構優化分析計算變得簡捷而快速。程序生成的有限元數據可以通過圖形顯示程序顯示出來，并可通過人機交互交式，對生成的網格進行修改、添加、刪除，保證有限元分析數據的準確性。地下鋼筋混凝土岔管有限元網格自動剖分程序主要分3步進行。(1)根據鋼筋混凝土岔管結構的幾何特征和有限單元信息規定，首先對規則岔管結構進行離散。如圖1(a)對稱岔管，只需輸入主、支管直徑D1，D2；襯砌厚度d1,d2；主管和總管長度S1和S；岔管的半岔角、半錐角和兩支管的間距L，則可分別建立主管和支管的輪廓方程：(1)式中：X，Y，Z為以岔管相貫線交點為圓點的三維坐標；C0，C1，C2為沿X軸線所取的不同段面常數。對于岔管段可根據岔角參數(半岔角、半錐角)建立以腰梁和U梁為局部坐標的相關方程，通過數學變換則可求所需相貫線的坐標。再根據幾何關系，則可推出岔管錐段斜截面的交線參數方程3。如圖1(b)所示，任意傾角為1的斜截面與母線OD的交點為P，由圖中的幾何關系則可得到P點在截面上的向徑OP和夾角的表達式為：p=cos(+1)cos(-)/cos(+1-)cos，tg=(1-cos)sincos/cos2+cossin2(2)式中：為母線OD在對稱面OAB上的投影OC與OA的夾角(AOC)；角為母線OD的旋轉角，即從OA開始旋轉到OD的角度AED的角度。根據O點的坐標和精度要求控制，選取一定間距截面和不同的圖1對稱岔管結構參數角，按照式(2)則計算出斜截面上的任意交點P的坐標。對于卜型岔采用類似方法可求得岔管輪廓線尺寸和相貫線坐標。圖2對稱岔和卜型岔襯砌單元圖3對稱岔整體有限元單元網格(2)對岔管外圍的圍巖進行網格剖分。首先可根據已離散的岔管襯砌單元和節點，按其規則將圍巖向外擴充34層單元，為此可采用對岔管襯砌外邊界進行自動標識，而后將其向圍巖拓展。然后根據巖體所要計算的邊界范圍以及網格離散的計算精度確定計算模型邊界的單元編號和結點坐標。再采用插值方法對中間巖體網格進行逐步加密過渡，則可確定岔管外圍的全部巖體單元網格。這一部分關鍵在于對岔管岔角處網格剖分，因為岔角處應力較為集中，往往是有限元分析的重點，要求網格較密，同時又要求與第一部分網格相協調。因此在對岔管外圍規則部分巖體網格進行離散時，可采用管道截面交線逐漸由圓或橢圓過渡到矩形，從而使得岔管岔角處圍巖形成為一個大的三棱柱，對于較為規則的三棱柱，可以較為容易地進行六面體網格剖分。(3)對岔管分岔角處進行修圓處理。地下鋼筋混凝土襯砌岔管分岔角處的應力集中現象十分明顯，在開挖時，常常對分岔角處進行修圓處理。岔角修圓后過渡段不再是一錐管，但截面交線參數方程仍為橢圓。本文采用在分岔角處進行滾動圓滑處理，即根據修圓程度要求，選用一個合適半徑的圓球，將岔管過渡段母線滾動圓滑，求得母線與斜截面的交點。然后根據修圓的控制范圍選定不修圓的邊界，再對修圓后的母線和不修圓的邊界之間的網格節點坐標進行插值計算，則可得到較均勻的修圓岔角網格。采用上述方法，只需修改初始的幾個輸入參數，則可離散如圖2、圖3所示各種岔管參數網格。2地下岔管結構形式優化評估方法地下鋼筋混凝土岔管結構形式的優劣不但受岔管本身的形態的影響，還與所處的地質環境、巖體特性、原巖應力場有極大的關系。岔管結構本身的形態直接影響鋼筋混凝土岔管襯砌的受力特性，而地下岔管所處的圍巖穩定特性是地下岔管結構穩定的關鍵。因此對地下鋼筋混凝土岔管結構形式的優化評估，可從岔管襯砌整體受力特點和岔管洞室開挖圍巖穩定特性兩方面來評估。2.1岔管洞室開挖圍巖穩定特性評估巖體是一種彈塑性介質，其塑性變形是不可恢復的非線性變形。當地下岔管所處的圍巖特性不同、原巖應力狀態相異時，地下岔管洞室開挖后，其圍巖的破壞狀態和應力擾動情況也就不同。巖體發生塑性破壞時，巖體的塑性應變能增量將全部耗散掉。塑性應變能耗散越多，說明地下岔管洞室開挖對圍巖的擾動破壞越