热力检查室内力计算方法研究.docx
中文摘要摘要：热力检查室板的内力可采用解析和有限元数值方法。解析计算又可根据板的支承条件分为简支、固支和弹性固定三种方法。有限元数值方法可以针对检查室整体进行结构内力计算。热力检查室设计中，板的内力计算一直以来采用解析方法，即把一个检查室分成六块单板，查表计算其弯矩，然后按纯弯构件配置钢筋。这样做没有考虑六块板的协调变形，也难以考虑人孔和沟口等开孔对板内力的影响。导致设计结果通常过于保守，造成钢材的浪费。而有限元数值方法得到的结果偏小，如果采用会使得工程安全储备不足。针对这一问题，本文开展检查室内力的数值计算方法研究，提出能够用于设计的简化数值计算方法。本文的主要内容和结果如下：(D把检查室各块板视为四边简支板和固支板，查表计算单块板的弯矩。(2)采用ANSYS软件的Shen63单元建立检查室模型，计算得到检查室内力的数值解。(3)提出检查室计算的框架方法，计算检查室的内力，并与以上两种方法得到的结果进行对比分析；根据对比结论对框架方法的荷载分配进行调整，得到了更合理的计算结果；再采用长宽比为2:1的检查室板验证框架方法的合理性。(4)把框架方法应用于实际工程案例，验证框架方法的实用性。通过解析解、数值解以及框架方法得到的解之间的对比可知：框架方法得出的内力解整体处于解析解和数值解之间。板四周简支条件下得到的板跨中弯矩是板中内力的上限值，数值计算得到的板跨中弯矩是板跨中弯矩的下限值；由板四周固支得到板支座弯矩是板端弯矩的上限值，数值模拟得到的板支座弯矩是板支座弯矩的下限值。本文的研究成果，对热力检查室结构及与其类似的地下结构的研究和设计具有较好的参考价值。关键词：热力检查室；板内力计算方法；解析方法；有限元数值模拟分类号：TU924ABSTRACTABSTRACTABSTRACT:Theoreticalmethodandnumericalmethodareoftenusedincalculationofinternalforcesofinspectionwells.Accordingtoboundaryconditions,aslabcanbesimplysupported,fixedandelasticallyfixed.FEMnumericalmethodcanbeusedtocalculateinternalforcesforaninspectionasawhole.Indesignofheatingprojects,theoreticalmethodismainlyadoptedincalculationofinternalforcesofinspectionwells,inwhichaninspectionwellisdividedintosixslabsandcalculatedseparately.Thentheslabsarereinforcedaccordingtothemoment.Indoingso,thecoordinateddeformationofsixslabsisignored,anditisdifficulttoconsidertheinfluenceofanopeningoraholetointernalfbrces.Asaresult,thedesignisusuallytooconservative,causingmaterialwaste.Ontheotherhand,numericalsimulationusuallygivesresultswhicharetoosmall.Ifadopted,thedesigncannotguaranteeenoughsafetymargin.Tosolvethisproblem,thispaperfocusesonanewmethodwhichcanbeusedindesignofheatingprojects.Themaincontentsandconclusionsareasbelow:(I)TakingawellassixSlabswithfour-sidessimplysupportedandfixedrespectiVelyJntemalforcesarecalculatedthereotically.(2)Shell63elementisusedandtheinternalforcesofwellsarecomputedbyANSYSsoftware.(3)Aframemethodisproposedandinspectionwellsarecalculatedbythismethod.Comparisonisconductedovertheresultsbytheoreticalmethod,numericalSimulationandframemethod.Uponthecomparison,theloadsontheframearemodified,whichleadstomorerationalresults.Thentwowellswithlength-to-widthrationbeing2:1arecalculated,whichshowsthattheframemethodcanalsogivecorrectresults(4)Theframemethodisusedtoanengineeringcaseandverified.Accordingtothecomparisononresultsbytheoreticalmethod,numericalsimulationandframemethod,theresultsbyframemethodliebetweentheoreticalmethodandnumericalsimulation.Forthemomentatcenterofasimplysupportedslab,theoreticalmethodgivestheIargestvaluewhilenumericalsimulationgivesthesmallest.Forthemomentatfoursidesofafixedslab,theoreticalmethodgivesthelargestvaluewhilenumericalsimulationgivesthesmallest.TheresultsofthispaperprovideagoodreferencefordesignandfurtherresearchOfinspectionwellsandotherundergroundstructures.KEYWORDS:inspectionWelhcalculationmethodforinternalforcesofaslab;theoreticalmethod;FEMnumericalsimulationCLASSNO:TU924目录中文摘要iABSTRACTiii第一章绪论11.1 弓I言11.2 热力检查室结构设计原理及存在问题11.3 国内外研究现状31.4 本文研究的背景及意义41.5 本文研究的内容和方法5第二章检查室内力查表计算72.1 概述72.2 典型检查室计算数据72.3 查表计算检查室板内力7第三章检查室内力数值模拟计算153.1 有限元分析的基本原理153.2 ANSYS软件中Shell63单元介绍173.3 检查室内力三维数值计算20第四章检查室内力按框架方法计算234.1 检查室框架计算方法的提出234.2 框架方法的内力计算234.2.1 框架荷载导算234.2.2 框架内力计算264.2.3 三种计算方法结果对比374.3 调整后框架方法的内力计算394.3.1 框架荷载导算394.3.2 框架内力计算424.3.4 调整荷载系数504.3.5 三种计算方法结果对比514.4 改变矩形面为1:2时的对比计算524.4.1 由解析计算得到的内力524.4.2 由数值模拟得到的内力554.4.3 由框架得到的内力564.4.4 三种计算方法结果对比分析59第五章工程案例615.1 工程概况615.2 传感器的布置625.3 监测结果635.4 用框架方法计算工程案例675.4.1 检查室计算数据675.4.2 查表计算检查室板内力685.4.3 检查室内力三维数值计算695.4.4 检查室内力平面框架解析计算705.4.5 双筋矩形截面偏心受压内力计算735.5 计算结果与监测结果的对比74第六章主要结论和展望756.1 主要结论756.2 展望75参考文献77作者简历79独创性声明81学位论文数据集83第一章绪论1.1 引言随着我国经济的飞速发展，快速的城市化进程对土建行业的需要和要求随之大大增加，在城市市政工程中，工程设计人员要面临集中供热的问题，对于城市市政工程，目前主要有明挖法和喑挖法。在我国北方地区集中供热在冬季供暖中应用的很广泛。与其它众多供热方式相比，其主要的优势在于：卫生、节能、环保。为了节省城市使用空间、不影响城市的美观，城市中的集中供热系统往往采用的是地下敷设方式。却也带来了一些新的问题。埋设在地下的管道一旦发生诸如个别管线泄漏事故，如何及时采取有效措施进行处理确保其正常工作？目前最为经济、有效的方法是在管道分支处和套管补偿器、波形补偿器、疏水器、阀门、排气、放水和除污装置等易于出现故障的管道附件处，设置专门用于管道维护和检修之用的特殊构筑物一一热力检查室，对管路进行定期的维护和检修1。与工程建设不相适应的是，热力检查室的内力计算一直以来采用解析方法，即把一个检查室分成六块单板，查表计算其弯矩，然后按纯弯构件配置钢筋。这样做没有考虑六块板的协调变形，也难以考虑人孔和沟口等开孔对板内力的影响。导致设计结果通常过于保守，造成钢材的浪费。而有限元数值方法得到的结果偏小，如果采用会使得工程存在安全隐患。针对这一问题，地下热力结构设计指南评审会中提出检查室需要采用更合理的结构计算方法。为此，本文开展检查室板内力的数值计算方法研究，提出能够用于设计的简化数值计算方法，为广大设计人员提供具有实用性的参考。1.2 热力检查室结构设计原理及存在问题近年来，在我国城市所新建的集中供热系统中，热力检查室采用的多为矩形的截面形式。与其它的截面形式相比较，矩形截面的检查室主要具有施工简便，易于与周围其它地面构筑物连接等优点。但是一直以来，由于各种不同的原因，对于这种矩形检查室的结构设计，却始终没有一种比较好的专用设计方法。在现今的检查室计算中，常用到两种简化模型：单元板简化模型和整室简化模型。单元板简化模型，是将检查室六块板当做相互独立的板，按照四边简支和固支分别计算板中和板端处弯矩，这种简化模型不用分析板与板的相互作用，不用考虑板与板之间的协调变形，所以计算方便，但由于忽略了检查室的整体变形，会产生内力不连续，变形不协调等问题。工程中通常在板与板连接处加上一定的加固措施，抵消整体计算产生的不利影响，从而保证检查室结果的安全使用。整室简化模型，是将检查室作为一个整体分析其受力情况的一种简化模型。此模型最突出优点是：模型中考虑了板间内力的相互影响作用，避免了检查室内力及变形的不连续性和板间交接处内力不平衡问题。但是，简化模型计算中需要考虑的影响因素较多，求解难度很大，不便于实践中直接应用。所以直到今天，对矩形检查室结构的设计，仍沿用着矩形水池一类矩形小室结构计算中所通用的那五种计算方法，即检查室的古典弹性计
