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平底三通钢岔管与外包混凝土复合结构承载研究

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人民长江 2024年第S01期55卷 216-220,231页

作者：李月伟伍鹤皋汪碧飞长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北武汉430010 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072

依托罗田水库—铁岗水库引调水工程实际,采用ABAQUS有限元软件对检修车道三梁岔管分别进行了钢岔管单独承载和钢岔管与混凝土联合承载下的三维有限元分析。研究结果表明:①考虑外包混凝土联合承载以后,钢岔管的受力变形显著降低,钢岔管... 详细信息

依托罗田水库—铁岗水库引调水工程实际,采用ABAQUS有限元软件对检修车道三梁岔管分别进行了钢岔管单独承载和钢岔管与混凝土联合承载下的三维有限元分析。研究结果表明:①考虑外包混凝土联合承载以后,钢岔管的受力变形显著降低,钢岔管应力分布更为均匀,外包混凝土可以明显改善钢岔管的应力集中现象。②当钢岔管与混凝土完全接触时,钢岔管应力很小,而混凝土承担大部分内水压力,所受拉应力超过了混凝土的抗拉强度,需要大范围配筋。③在钢岔管与外包混凝土之间设置缝隙或垫层后可使得钢岔管承担的内水压力更大,发挥更大的承载作用,同时传递给周围混凝土的内水压力降低,减少配筋量,使岔管结构更加经济安全。

关键词：三梁岔管联合承载配筋引调水工程有限元法

有压引水隧洞多层柔性叠合衬砌对断层蠕滑错动的适应性研究

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岩土工程学报 2024年第5期46卷 998-1007页

作者：徐文韬徐红超石长征伍鹤皋张超李端正武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072 云南省滇中引水工程有限公司云南昆明650051

长距离输水隧洞工程建设很难避免穿越活动断层的问题,有压隧洞采用何种衬砌结构型式穿越活动断层迄今为止研究还不够深入。针对目前隧洞过活断层常用抗断措施存在的问题,结合有压引水隧洞自身的特点,提出了一种适合有压引水隧洞穿越活... 详细信息

长距离输水隧洞工程建设很难避免穿越活动断层的问题,有压隧洞采用何种衬砌结构型式穿越活动断层迄今为止研究还不够深入。针对目前隧洞过活断层常用抗断措施存在的问题,结合有压引水隧洞自身的特点,提出了一种适合有压引水隧洞穿越活动断层的多层柔性叠合衬砌结构型式。依托某工程的实践情况,采用有限元数值分析方法论证了多层柔性叠合衬砌结构的可行性和合理性;同时分析了垫层厚度、垫层弹模对隧洞结构内力响应和抗断性能的影响。计算结果表明:垫层厚度越大,伸缩节总变形量越大,对于隧洞衬砌适应断层错动越有利;但当垫层厚度过大时,将对衬砌的受力产生不利影响,因此建议根据工程设防的断层错动量选择合适厚度的垫层,不必采用过厚的垫层。垫层弹模的变化对钢管应力的影响较为显著,综合考虑钢衬应力、混凝土损伤以及对断层错动的适应性能,建议选取3~5 MPa的垫层弹模最为合适。研究结果可为有压输水隧洞应对断层蠕滑变形时的结构设计提供参考。

关键词：有压隧洞衬砌结构断层错动柔性接头垫层数值模拟

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考虑管道自重荷载的埋地钢管结构计算方法

长江科学院院报 2024年第5期41卷 155-161页

作者：于金弘伍鹤皋石长征孙海清汪碧飞李娇娜长沙理工大学水利与环境工程学院长沙410114 长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室长沙410114 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 长江勘测规划设计研究有限责任公司武汉430010

埋地钢管在重大引调水工程中应用越发广泛,作为整个工程的生命线,保证其结构安全至关重要。然而,目前埋地钢管的结构计算方法仍然较为粗略,常忽略管道自重荷载。针对此,采用理论分析方法,在Spangler模型理论基础上,构建出考虑管道自重... 详细信息

埋地钢管在重大引调水工程中应用越发广泛,作为整个工程的生命线,保证其结构安全至关重要。然而,目前埋地钢管的结构计算方法仍然较为粗略,常忽略管道自重荷载。针对此,采用理论分析方法,在Spangler模型理论基础上,构建出考虑管道自重荷载的新计算方法,并与传统计算方法和有限元法结果比较分析。结果表明:新计算方法仅需在原计算公式的分子项上增加管重项,较为简单方便;管道自重对变形增幅的影响基本上不超过20%,对管径大且埋深小的管道,应予以考虑,而对管径4 m的管道,可以忽略;新计算方法与有限元法得出的变形结果规律性较好,一般情况下其计算精度较传统方法更高,并且同样适用于其他类型的埋地柔性管道。

关键词：埋地钢管管道自重 Spangler模型管道变形计算方法

压气储能地下洞室密封钢衬的非线性力学响应特征

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水力发电 2024年第5期50卷 38-44,92页

作者：傅丹胡小康伍鹤皋李鹏刘志伟武汉轻工大学湖北武汉430023 水资源工程与调度全国重点实验室(武汉大学) 湖北武汉430072 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司湖南长沙410014

依托某压气储能电站实际工程,基于ABAQUS平台,研究密封钢衬应力的非线性影响因素,分别探究了围岩与混凝土材料非线性、密封钢衬-混凝土接触非线性的影响机理。结果表明,浅埋地下储气洞室围岩初始地应力水平不高,巨大气压导致围岩局部塑... 详细信息

依托某压气储能电站实际工程,基于ABAQUS平台,研究密封钢衬应力的非线性影响因素,分别探究了围岩与混凝土材料非线性、密封钢衬-混凝土接触非线性的影响机理。结果表明,浅埋地下储气洞室围岩初始地应力水平不高,巨大气压导致围岩局部塑性屈服,混凝土严重开裂,密封钢衬高应力区-混凝土严重开裂区-围岩塑性区三者存在对应关系;考虑密封钢衬-混凝土之间的接触关系,使得密封钢衬应力分布更加均匀;检修期在重力影响下密封钢衬顶部与混凝土脱开,检修后再加压密封钢衬应力分布出现调整现象,顶部应力峰值和应力不均匀度有所增大;密封钢衬应力峰值随摩擦系数与缝隙值的增大而增大,当摩擦系数大于0.5时其影响不明显,随缝隙的变化梯度大致为30~40 MPa/mm;地下储气洞室密封钢衬受力分析时需同时考虑材料非线性与接触非线性,以保证密封钢衬具有足够的安全储备。

关键词：压气储能电站地下洞室密封钢衬非线性力学响应接触数值计算

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姚家平水利枢纽工程钢岔管结构型式选择与CFD研究

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中国农村水利水电 2024年第1期 231-236页

作者：刘贤才张雨萌汤怀萱胡悦伍鹤皋湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司湖北武汉430070 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072

结合姚家平水利枢纽工程的总体布置,对主电站引水系统对称Y形和非对称Y形月牙肋钢岔管两种结构型式分别进行了三维有限元应力分析和CFD三维流场计算。计算结果表明:对称岔管两腰部位应力分布均匀,肋板尺寸较小;但在主支锥管相贯线内表面... 详细信息

结合姚家平水利枢纽工程的总体布置,对主电站引水系统对称Y形和非对称Y形月牙肋钢岔管两种结构型式分别进行了三维有限元应力分析和CFD三维流场计算。计算结果表明:对称岔管两腰部位应力分布均匀,肋板尺寸较小;但在主支锥管相贯线内表面A点附近出现较大的应力集中现象,因此对称岔管满足强度所需的管壁厚度大于非对称岔管。在水力学方面,非对称岔管两支管的水头损失不相等,其中与主管同轴线的直支管水头损失最小,斜支管水头损失最大,但没超过对称岔管的0.358 m,说明从岔管部位水头损失和水流流态上看,非对称岔管也稍优于对称Y形岔管。综合考虑岔管结构和水力学特性以及工程地形等因素,建议姚家平水利枢纽工程中主电站引水发电系统选择非对称Y形岔管布置方案。

关键词：水电站对称Y形钢岔管非对称Y形钢岔管体形设计有限元法 CFD

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钢衬钢筋混凝土管道开裂机理及模拟技术研究

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2022年第1期55卷 46-56页

作者：马铢伍鹤皋石长征武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072

钢衬钢筋混凝土管道在设计上允许外包混凝土开裂,确定其裂缝发展规律和结构的承载特性是评估管道能否长期安全稳定运行的前提,但现有的解析公式多是半理论半经验公式,不同的公式计算结果误差较大,有限元法成为了主要的分析方法.以往的... 详细信息

钢衬钢筋混凝土管道在设计上允许外包混凝土开裂,确定其裂缝发展规律和结构的承载特性是评估管道能否长期安全稳定运行的前提,但现有的解析公式多是半理论半经验公式,不同的公式计算结果误差较大,有限元法成为了主要的分析方法.以往的有限元模型多基于损伤或者断裂理论,较少考虑二者的耦合作用,本文结合三峡水电站大比尺试验模型,建立了基于黏聚裂缝模型的有限元模型,在管道混凝土中插入内聚单元综合模拟了混凝土开裂过程中的损伤和断裂特性,得到了管道结构开裂前后的钢材应力变化规律、裂缝扩展形态以及裂缝宽度,进一步系统地讨论了内聚参数和网格尺寸的影响.有限元模拟裂缝扩展形态与模型试验时裂缝宽度中间宽、两侧较小的结论一致.管腰和管顶典型部位的裂缝宽度值与模型试验误差在10%以内,且钢材应力起伏与裂缝位置相呼应.更改内聚参数和网格尺寸发现,在合理的取值范围内,混凝土裂缝扩展、钢材承载规律与试验结果基本一致,但内聚刚度取值过小会导致混凝土开裂提前,黏结系数取值过大或者单元尺寸过大会使计算结果的精度降低.因此在采用黏聚裂缝模型模拟管道混凝土开裂时,应在保证计算收敛的前提下,尽可能取较小的黏结系数和足够大的内聚刚度,以提高计算结果的精度.

关键词：钢衬钢筋混凝土管道数值模拟黏聚裂缝模型裂缝扩展裂缝宽度承载特性

大直径Q460钢管水压试验受力特性及承载力研究

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华中科技大学学报:自然科学版 2023年第7期51卷 110-115页

作者：伍鹤皋徐文韬石长征冯飞鸿武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072 中铁七局集团第三工程有限公司陕西西安710000

通过模型试验、数值模拟与解析计算等方法研究了Q460结构高强钢应用于水利水电行业大直径输水钢管时的受力状态及极限承载能力.分析模型在不同水压等级作用下的应力、应变和位移,得到了试验模型从加压到最后爆破整个过程的变化规律.数... 详细信息

通过模型试验、数值模拟与解析计算等方法研究了Q460结构高强钢应用于水利水电行业大直径输水钢管时的受力状态及极限承载能力.分析模型在不同水压等级作用下的应力、应变和位移,得到了试验模型从加压到最后爆破整个过程的变化规律.数值计算得到的模型爆破压力为7.9 MPa,介于解析计算所得爆破压力7.74~8.82 MPa之间,略高于物理模型试验的爆破压力7.5 MPa,两者均达到设计内压2.275 MPa的3.3倍以上,可见Q460钢材不仅可满足水利水电工程钢管设计规范中相关的强度设计要求,而且可在常温下焊接,有利于简化焊接工艺、提高施工速度,在水利水电行业具有广阔的应用前景.

关键词： Q460钢管受力特性爆破压力水压试验数值计算

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大直径埋地钢管管顶土压力及其设计模型研究

岩土工程学报 2022年第3期44卷 514-522,I0007页

作者：于金弘石长征伍鹤皋徐文韬武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

以往埋地钢管的管顶土压力研究结果多基于小直径管道,对大直径管道并不完全适用。建立了埋地钢管有限元计算模型,分析了不同管径、径厚比和埋深下的管顶土压力,并与传统设计模型进行比较,探讨了相关参数对土压力的影响。提出了一种新型... 详细信息

以往埋地钢管的管顶土压力研究结果多基于小直径管道,对大直径管道并不完全适用。建立了埋地钢管有限元计算模型,分析了不同管径、径厚比和埋深下的管顶土压力,并与传统设计模型进行比较,探讨了相关参数对土压力的影响。提出了一种新型的土压力设计模型--盆式模型,采用“直线+抛物线”形式描述土压力分布,根据管径和埋深情况采用“Marston+胸腔”荷载计算土压力数值,并深入研究了盆式模型对大直径埋地钢管的适用性。结果表明:对于大直径埋地钢管,管顶土压力分布的基本形式为“倒盆形”,径厚比及埋深均会显著影响土压力,但径厚比大于200后,土压力变化很小;管径小时,土压力大体呈抛物线分布。增加回填土变形模量和泊松比、沟槽接触面粗糙程度,减小沟槽宽度,均可降低土压力,但影响有限。高埋深时,棱柱荷载过大;低埋深时,Marston荷载偏小,这两种模型的计算精度及适应性较差;盆式模型与有限元分析的计算结果吻合度较好,计算精度高,适应性强,可为大直径埋地钢管的结构设计及规范制定提供借鉴和参考。

关键词：埋地钢管大直径管顶土压力设计模型有限元法

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大变形埋地钢管结构承载能力及修复方法研究

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2022年第4期55卷 419-427页

作者：于金弘伍鹤皋石长征李东明靳红泽武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 水利部水工金属结构质量检验测试中心郑州450044

大直径埋地钢管在大型引调水及水电工程中应用广泛,但施工过程中钢管易出现超出规范要求的大变形,而国内外对大变形埋地钢管的结构特性及处理措施研究较少.本文以某环变形达8.9%的埋地钢管为例,基于现场测试结果,采用数值模拟技术反演... 详细信息

大直径埋地钢管在大型引调水及水电工程中应用广泛,但施工过程中钢管易出现超出规范要求的大变形,而国内外对大变形埋地钢管的结构特性及处理措施研究较少.本文以某环变形达8.9%的埋地钢管为例,基于现场测试结果,采用数值模拟技术反演了该工程的施工过程,分析了该大变形管道若直接投入运行后的变形、应力及塑性情况,进而结合工程实际提出了水压法修复,并与传统的内撑法修复进行了比较研究.结果表明:大变形埋地钢管承受了较高的弯曲应力且管周土体支撑不足,结构承载能力较弱,荷载作用下钢管的变形和应力会大幅增加,安全风险较大.设置加劲环虽能增加钢管的抗外压稳定,但对管壁应力不利,高应力及塑性区域主要集中在管顶、管腰和管底及加劲环附近.大变形埋地钢管虽不符合规范要求,但不必更换钢管,可考虑对其进行修复,以降低钢管变形并提高管周土体模量,修复方法可采用内撑法或水压法.内撑法采用千斤顶将钢管顶圆,在顶撑区易产生应力集中,适用于管线局部发生大变形的情况;水压法利用内压复圆原理,可使管壁受力均匀,长距离管线下使用更为方便,修复后应检测并修补焊缝及防腐措施,并对运行期管道做好监测工作.研究成果可为类似工程处理及后续规范编制提供借鉴和参考.

关键词：埋地钢管大变形结构承载修复内撑法水压法