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环锚预应力混凝土衬砌三维有限元计算分析

天津大学学报 2006年第8期39卷 968-972页

作者：亢景付梁跃华张沁成天津大学建筑工程学院天津300072 北京国电水利电力工程有限公司北京100024

环锚预应力混凝土衬砌是一种新型的水工压力隧洞衬砌形式,进行有限元结构分析时的关键是如何模拟环形预应力筋的作用．为此,提出了一种基于ANSYS的等效荷载法,用法向等效应力和切向等效应力模拟非均匀分布的锚索预应力,通过SURF154单元... 详细信息

环锚预应力混凝土衬砌是一种新型的水工压力隧洞衬砌形式,进行有限元结构分析时的关键是如何模拟环形预应力筋的作用．为此,提出了一种基于ANSYS的等效荷载法,用法向等效应力和切向等效应力模拟非均匀分布的锚索预应力,通过SURF154单元将其施加于计算模型．文中对一个无黏结预应力混凝土衬砌全部锚索张拉锁定后的应力状态进行了三维有限元计算,计算结果与实测结果具有良好的一致性．该方法还适用于有黏结曲线预应力筋的预应力混凝土结构有限元计算．

关键词：水工结构三维有限元计算预应力混凝土衬砌预应力损失

基于观测数据的环锚预应力混凝土衬砌预应力效果分析

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水力发电学报 2013年第1期32卷 237-241,247页

作者：亢景付崔诗慧天津大学建筑工程学院/滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300072

结合黄河小浪底排沙洞工程,对锚索张拉阶段的预应力效果和混凝土的徐变进行了探讨。通过建立合理的锚索张拉程序和数据采集制度,将混凝土的弹性应变、混凝土的徐变、预应力损失造成的应变从实测总应变中分离出来。分析结果显示:在预应... 详细信息

结合黄河小浪底排沙洞工程,对锚索张拉阶段的预应力效果和混凝土的徐变进行了探讨。通过建立合理的锚索张拉程序和数据采集制度,将混凝土的弹性应变、混凝土的徐变、预应力损失造成的应变从实测总应变中分离出来。分析结果显示:在预应力的张拉阶段,混凝土的徐变占总应变的24%。混凝土的徐变近似地与应力和持荷时间成线性关系,即ε=ασt,其中系数α与约束条件有关,不是一个常数。数据表明,通过实测数据得到混凝土衬砌中的应力与应力分布与有限元分析结果相一致。

关键词：水工结构预应力效果实验研究预应力混凝土衬砌观测仪器混凝土的徐变

输水隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽优化设计分析

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人民长江 2023年第10期54卷 157-162页

作者：薛广文曹国鲁蔡俊伦李晓克广东粤海珠三角供水有限公司广东广州511458 华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045

锚具槽是输水隧洞预应力混凝土衬砌中预应力钢筋张拉与锚固的关键部位,其对预应力混凝土衬砌的可靠性具有重要影响。为探究衬砌结构采用预制装配式免拆模板锚具槽后局部受力状态,依托珠江三角洲水资源配置工程,采用有限元方法开展数值... 详细信息

锚具槽是输水隧洞预应力混凝土衬砌中预应力钢筋张拉与锚固的关键部位,其对预应力混凝土衬砌的可靠性具有重要影响。为探究衬砌结构采用预制装配式免拆模板锚具槽后局部受力状态,依托珠江三角洲水资源配置工程,采用有限元方法开展数值模拟分析,将其与常规锚具槽的受力状态进行了对比。模拟结果表明:免拆模板锚具槽可有效避免混凝土衬砌沿锚具槽角部开裂,提高回填混凝土与衬砌结构混凝土的粘结锚固性能。与常规锚具槽对比,预制装配式免拆模板锚具槽减小了槽口尺寸,提高了混凝土衬砌的整体性,具有施工效率高、工程造价低、施工环境好等优点。

关键词：输水隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽免拆模板数值模拟

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压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术模拟试验研究

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中国水利水电科学研究院学报 2015年第1期13卷 14-19页

作者：黄昊刘致彬岳跃真郝巨涛流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 中国水利水电科学研究院北京中水科海利工程技术有限公司北京100038

在现有压力隧洞预应力混凝土衬砌技术的基础上,提出了基于圆环形扁千斤顶技术的新型预应力混凝土衬砌隧洞新概念。实现这个设想的关键设备是圆环形扁千斤顶,是一个用薄钢板制成的中空圆形压力囊,利用液压通过有限的径向位移对隧洞混凝... 详细信息

在现有压力隧洞预应力混凝土衬砌技术的基础上,提出了基于圆环形扁千斤顶技术的新型预应力混凝土衬砌隧洞新概念。实现这个设想的关键设备是圆环形扁千斤顶,是一个用薄钢板制成的中空圆形压力囊,利用液压通过有限的径向位移对隧洞混凝土衬砌层外部施加均布压应力。室内模拟试验证明,采用薄钢板制作的圆环形扁千斤顶可以通过灌浆或注水对衬砌结构施加预应力,衬砌结构环向预压应力与注水压力呈线性关系,与理论结果一致。

关键词：压力隧洞预应力混凝土衬砌模拟试验扁千斤顶

预应力混凝土衬砌隧洞锚具槽区域应力状态分析

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水利与建筑工程学报 2014年第1期12卷 50-54页

作者：亢景付贾硕天津大学建筑工程学院天津300072 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300072

环锚预应力混凝土衬砌是水工压力隧洞一种新型的衬砌形式,锚具槽是施工过程中用于固定锚具和实施锚索张拉的部位,也是整个衬砌结构的最薄弱环节。通过三维有限元计算和现场实验,对小浪底排沙洞无粘结预应力混凝土衬砌全部锚索张拉锁定... 详细信息

环锚预应力混凝土衬砌是水工压力隧洞一种新型的衬砌形式,锚具槽是施工过程中用于固定锚具和实施锚索张拉的部位,也是整个衬砌结构的最薄弱环节。通过三维有限元计算和现场实验,对小浪底排沙洞无粘结预应力混凝土衬砌全部锚索张拉锁定后锚具槽区域的应力状态进行了研究,计算结果与实验结果相当吻合。研究表明,锚具槽区域的应力状态要比其它部位复杂,环向预压应力分布均匀性较差,在锚具槽口的锚索出露端存在径向拉应力。研究结果对类似工程的结构设计具有参考意义。

关键词：水工结构预应力混凝土衬砌 ANSYS有限元分析锚具槽

基于观测数据的环锚预应力混凝土衬砌应力状态分析

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基于观测数据的环锚预应力混凝土衬砌应力状态分析

作者：崔诗慧天津大学

学位级别：硕士

黄河小浪底排沙洞是我国首条采用无粘结双圈环绕预应力混凝土衬砌这种结构形式的水工隧洞,这种新型结构比传统有粘结预应力混凝土衬砌具有施工简单,且同样抗渗防裂效果好的特点。在施工阶段,小浪底排沙洞埋设了混凝土应变计、钢筋计、... 详细信息

黄河小浪底排沙洞是我国首条采用无粘结双圈环绕预应力混凝土衬砌这种结构形式的水工隧洞,这种新型结构比传统有粘结预应力混凝土衬砌具有施工简单,且同样抗渗防裂效果好的特点。在施工阶段,小浪底排沙洞埋设了混凝土应变计、钢筋计、无应力计、锚索测力计、测缝计、多点位移计、渗压计等160只观测仪器。小浪底排沙洞从1998年3月施工,1999年6月达到全部运行条件,使用至今已十余年。在这期间,埋设的观测仪器采集了大量的观测数据。本文结合小浪底排沙洞工程,对锚索张拉阶段的预应力效果和混凝土的徐变以及运行阶段的温度和内水压力变化对混凝土衬砌的影响进行了研究。锚索张拉阶段通过合理的建立锚索张拉程序和数据采集制度,将混凝土的弹性应变、混凝土的徐变、预应力损失造成的应变从实测总应变分离出来,从而分析混凝土中建立的预压应力。运行阶段通过对观测数据进行数理统计得到温度和内水压变化对混凝土衬砌的影响。研究结果表明: （1）锚索张拉阶段,混凝土应变计测得的总应变中,混凝土的徐变占弹性应变的20%~30%,所以在分析预应力效果时,不能直接使用混凝土应变计的测量数据。（2）混凝土的徐变变化近似的与应力和持荷时间成正比,即ε=ασt。但分析结果显示其中系数α不是一个常数,而是与应力状态和约束条件有关的一个变量。（3）锚索张拉完毕后,除锚具槽处以外,混凝土衬砌中建立了较为均匀的预压应力。浇筑块端部的预应力平均值为-8MPa,中部的平均值为-6.7MPa。相比较而言,浇筑块中部建立的预压应力比浇筑块端部建立的预压应力更为均匀。（4）在排沙洞运行期间,混凝土中的压应变和温度压应力随着温度的升高而增加,随着温度的降低而减小。此规律在浇筑块的端部和衬砌的内侧更为明显。在分析时间段内,混凝土衬砌产生了最大-2.57MPa的温度应力,所以应对温度变化对结构的影响有足够的重视。（5）在排沙洞运行期间,混凝土中的压应变随着水头的增高而减小,随着水头的减小而增高。水头变化对混凝土衬砌不同部位的影响程度也不同,对浇筑块端部的影响大于浇筑块中部,平均水头每升高1m,混凝土衬砌减少0.38×10-6的压应变。

关键词：水工结构预应力效果实验研究预应力混凝土衬砌观测仪器

水工隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽优化设计研究

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水工隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽优化设计研究

作者：曹国鲁华北水利水电大学

学位级别：硕士

水工隧洞预应力混凝土衬砌一般采用环锚技术施加环向预应力,合理预留锚具槽是关键。既有工程的锚具槽设计方案在隧洞施工和运营阶段存在人工量大、混凝土应力集中显著、先后批浇筑混凝土粘结性能不易保证等不足,本文结合珠三角水资源配... 详细信息

水工隧洞预应力混凝土衬砌一般采用环锚技术施加环向预应力,合理预留锚具槽是关键。既有工程的锚具槽设计方案在隧洞施工和运营阶段存在人工量大、混凝土应力集中显著、先后批浇筑混凝土粘结性能不易保证等不足,本文结合珠三角水资源配置工程高水压输水隧洞预应力混凝土衬砌1:1模型试验,对锚具槽进行了系统优化研究,主要内容和成果如下:主要研究成果如下:1)结合输水隧洞预应力衬砌环锚张拉施工工艺要求,研发了三种免拆模板锚具槽型式,即预制装配式变宽度免拆模板锚具槽、预制装配式等宽度免拆模板锚具槽、整体预制式免拆模板锚具槽,并在基本锚具槽尺寸要求的控制下,提出了免拆模板锚具槽尺寸优化控制计算公式。2)采用超高韧性细石混凝土预制模板构件,提出了预制装配式免拆模板锚具槽组装部件细部构造、榫形卡口连接,形成了系统的组装成型工艺,同时考虑到安装使用时的便捷性,提出整体预制式免拆模板锚具槽的设计与制作成型工艺。3)有限元对比分析表明:衬砌结构最大的环向应力均发生在圆弧段到的底部平直段交接部位。常规锚具槽的最大环向压应力是11.8MPa;变宽度免拆模板锚具槽所在环面的最大环向压应力是12.2MPa;等宽度免拆模板锚具槽所在环面的最大环向压应力是11.9MPa;整体预制式免拆模板锚具槽所在环面的最大环向压应力是12.1MPa,表明免拆模板锚具槽可以提高衬砌混凝土的最大环向压应力,从而增大结构的安全性和耐久性,同时也提高了回填混凝土与衬砌混凝土结构的粘结锚固性能。4)常规锚具槽上、下端面粘结界面,侧面粘结界面平均环向压应力分别是6.86MPa、7.48MPa、7.77MPa,左下角和右下角环向压应力分别为5.84MPa和6.10MPa;变宽度免拆模板锚具槽上、下端模板外表面粘结界面,侧面模板外表面粘结界面平均环向压应力分别是6.70MPa、8.07MPa、6.93MPa,左下角和右下角环向压应力分别为8.33MPa和9.17MPa;等宽度免拆模板锚具槽上、下端模板外表面粘结界面,侧面模板外表面粘结界面平均环向压应力分别是7.42MPa、7.58MPa、6.72MPa,左下角和右下角环向压应力分别为9.06MPa和9.71MPa,数据表明免拆模板对微膨胀混凝土膨胀产生的拉应力有一定的吸收能力。当免拆模板锚具槽的端面模板、侧面模板与底面模板呈锐角状态时,会削弱其吸收拉应力的能力,但是却可以增加角部的压应力,提高了锚具槽槽壁因拉应力集中现象而沿角部开裂的抵抗能力。5)整体预制式免拆模板锚具槽角部采用倒圆角,其左下角和右下角环向压应力分别为10.6MPa和9.05MPa,均大于常规锚具槽、变宽度免拆模板锚具槽、等宽度免拆模板锚具槽的角部环向压应力,表明角部采用倒圆角形式,不仅可以使端部的环向应力分布变的均匀,而且也可以增大角部的环向压应力,进一步增大了锚具槽槽壁因拉应力集中现象而沿角部开裂的抵抗能力。

关键词：水工隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽免拆模板超高韧性细石混凝土

无粘结环锚预应力混凝土衬砌结构优化设计研究

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无粘结环锚预应力混凝土衬砌结构优化设计研究

作者：任海波天津大学

学位级别：硕士

无粘结环锚预应力衬砌是一种能充分发挥预应力结构特性的新型结构形式,主要适用于那些压力水头较高、围岩厚度较薄、围岩地质条件较差、衬砌开裂后渗水可能导致邻近建筑物或边坡失稳等重大事故的水工隧洞工程。无粘结环锚预应力衬砌通... 详细信息

无粘结环锚预应力衬砌是一种能充分发挥预应力结构特性的新型结构形式,主要适用于那些压力水头较高、围岩厚度较薄、围岩地质条件较差、衬砌开裂后渗水可能导致邻近建筑物或边坡失稳等重大事故的水工隧洞工程。无粘结环锚预应力衬砌通过张拉混凝土衬砌内的锚索使衬砌产生预压应力,可以使衬砌厚度减薄,能节省材料和开挖量、显著降低工程造价和施工难度、加快施工进度,可以弥补混凝土抗拉强度和延展性低的缺点,可以充分利用混凝土抗压强度高的优点,是一种很有发展前途的衬砌形式。在我国的水电工程和城市输水工程中具有广泛的应用前景。无粘结环锚预应力衬砌技术是一种新型结构,设计理论尚不完善,更无具体的设计规范,有些关键技术尚未得到很好解决。本文结合ANSYS有限元分析程序,对无粘结环锚预应力衬砌结构的结构形式优化、设计理论、有限元计算方法等方面进行了一些研究。主要研究内容如下:结构形式的优化方面。已有工程采用的都是双排锚具槽形式,这种布置方法不仅施工困难,而且锚具槽不易回填密实,容易形成结构缺陷。本文在分析这种结构缺陷产生原因的基础上,提出了单排锚具槽结构形式,并通过三维有限元计算分析,对锚索张拉完毕后单排锚具槽形式衬砌内建立的应力分布进行了计算分析,结果表明:单排锚具槽形式不仅在施工和结构安全方面要优于双排锚具槽形式,而且在应力分布方面也要优于双排锚具槽形式。本文利用有限元计算分析了单束锚索张拉的邻锚效应,给出了环向应力和轴向应力的邻锚效应,并对邻锚效应进行了曲线回归和函数模拟。通过锚索张拉的邻锚效应的叠加,总结了锚具槽间距与衬砌内环向应力大小的函数关系,分析了锚具槽间距与衬砌内环向应力均匀性的函数关系。建立了锚索张拉力、锚具槽间距与衬砌内应力状态之间的关系,对于未来工程设计中选择合适的锚具槽间距和锚索张拉力有一定的参考价值。

关键词：预应力混凝土衬砌环锚无粘结锚具槽环向应力邻锚效应

环锚预应力混凝土衬砌结构锚具槽区域的应力状态分析

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环锚预应力混凝土衬砌结构锚具槽区域的应力状态分析

作者：贾硕天津大学

学位级别：硕士

无粘结环锚预应力衬砌结构是应用在水工隧洞中的一种新型结构形式，该结构主要适用于衬砌围岩地质条件较差、衬砌中的水压力较大以及衬砌开裂水渗入围岩后能够导致周围建筑物失稳的水工隧洞结构中。无粘结预应力衬砌结构作为一种新型的... 详细信息

无粘结环锚预应力衬砌结构是应用在水工隧洞中的一种新型结构形式，该结构主要适用于衬砌围岩地质条件较差、衬砌中的水压力较大以及衬砌开裂水渗入围岩后能够导致周围建筑物失稳的水工隧洞结构中。无粘结预应力衬砌结构作为一种新型的衬砌结构形式具有其特殊的优点：无粘结衬砌中钢绞线采用双圈环绕形式，能够使衬砌中的压应力分布更均匀，锚索的沿程预应力损失更小，与有粘结衬砌相比有效预压应力大，衬砌的厚度可以适当减小，这样就能够节省材料减小开挖量，大大降低了施工的难度和工程造价，有效的加快施工的进度。鉴于无粘结环锚预应力混凝土衬砌的优势，可以看出这种结构在我国水工隧洞中有着广阔的应用前景。目前，这种衬砌形式只在小浪底工程的三条排沙洞和大伙房水库输水隧洞中得到应用，从这两个工程的运行情况来看，该结构也暴露出一些问题，尤其是锚具槽部位，通过对小浪底工程试验段进行观测发现，小浪底锚具槽存在漏油现象，锚具槽部位是整个结构的薄弱环节。本文主要应用ANSYS有限元分析软件对小浪底2号排沙洞建模分析，分别对锚索张拉阶段的施工期和加水压后的运行期的锚具槽区域的应力状态进行分析，并将施工期的结果与2号排沙洞试验段的监测数据进行对比，看出两者具有很好的一致性。计算结果表明，锚具槽部位的受力状态是整个结构最复杂的，最大最小环向应力均出现在锚具槽附近，轴向和径向还出现了较小的拉应力。为了解决这个问题，本文在最后一章对锚具槽位置做了优化，并对其进行施工期和运行期的有限元分析，从结果可以看出，优化后的结构薄弱区范围明显减小，锚具槽附近的应力分布更均匀，对于今后的工程具有一定的参考价值。

关键词：锚具槽预应力混凝土衬砌无粘结锚索 ANSYS有限元分析环向应力