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内部充水钢围堰的结构安全稳定分析

张羽 赵集云 刘明潇 孙东坡

张羽,赵集云,刘明潇,等. 内部充水钢围堰的结构安全稳定分析[J]. 水利水运工程学报,2022(3):127-135. doi:  10.12170/20211002003
引用本文: 张羽,赵集云,刘明潇,等. 内部充水钢围堰的结构安全稳定分析[J]. 水利水运工程学报,2022(3):127-135. doi:  10.12170/20211002003
(ZHANG Yu, ZHAO Jiyun, LIU Mingxiao, et al. Structural safety and stability analysis of internal water-filled steel cofferdam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(3): 127-135. (in Chinese)) doi:  10.12170/20211002003
Citation: (ZHANG Yu, ZHAO Jiyun, LIU Mingxiao, et al. Structural safety and stability analysis of internal water-filled steel cofferdam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(3): 127-135. (in Chinese)) doi:  10.12170/20211002003

内部充水钢围堰的结构安全稳定分析

doi: 10.12170/20211002003
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(52079053)
详细信息
    作者简介:

    张 羽(1970—),男,山西大同人,副教授,博士,主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:zhy@ncwu.edu.cn

    通讯作者:

    刘明潇(E-mail:liumingxiao@ncwu.edu.cn

  • 中图分类号: TV91

Structural safety and stability analysis of internal water-filled steel cofferdam

  • 摘要: 大型输水干渠边坡修复专用钢围堰是一种外动内静的水中钢构筑物,钢围堰在工作状况下结构稳定性十分重要。根据钢围堰的设计结构条件,考虑其在水中的动静荷载,进行流固耦合(FSI)系统的力学分析。首先分析钢围堰的荷载特征,将钢围堰绕流流场的复杂荷载条件简化为作用在结构上的流体压力;然后建立围堰结构的有限元模型。利用ANSYS数值模拟软件,研究各构件的受力状况及整体结构特性。结果表明:上游支撑杆件轴向应力大于欧拉临界应力,且导槽和面板变形量过大,需作结构调整,而中游和下游稳定性满足要求。通过结构优化调整,提出了结构改进方法,成功应用于工程实际,为钢围堰的优化设计提供理论支撑。
  • 图  1  渠道典型断面(单位:m)

    Figure  1.  Typical cross section of the canal (unit: m)

    图  2  钢围堰的平面布置及边坡修复生产性试验围堰区域(单位:m)

    Figure  2.  Plane layout of steel cofferdam and production test cofferdam area for slope restoration (unit: m)

    图  3  钢围堰施工现场

    Figure  3.  Construction site of steel cofferdam

    图  4  渠底钢围堰导向架构造示意

    Figure  4.  Structure diagram of steel cofferdam guide frame at the bottom of canal panel frame structure

    图  5  围堰结构有限元模型

    Figure  5.  Finite element model of cofferdam structure

    图  6  工况1上游单元强度分析(单位: Pa)

    Figure  6.  Strength analysis of upstream element of condition 1 (unit: Pa)

    图  7  工况2上游单元强度分析(单位: Pa)

    Figure  7.  Strength analysis of upstream element of condition 2 (unit: Pa)

    图  8  工况1上游单元刚度分析(单位:m)

    Figure  8.  Stiffness analysis of upstream element of condition 1 (unit: m)

    图  9  工况2上游单元刚度分析(单位:m)

    Figure  9.  Stiffness analysis of upstream element of condition 2 (unit: m)

    图  10  上游单元稳定性分析(工况1)

    Figure  10.  Stability analysis of upstream element (condition 1)

    图  11  上游单元稳定性分析(工况2)

    Figure  11.  Stability analysis of upstream element (condition 2)

    表  1  不同流量下各特征断面水位

    Table  1.   Water level of each feature sectionunder different flow conditions 单位:m

    特征断面说明起点距不同流量下特征断面水位
    220 m3/s260 m3/s
    围堰上游110 m 130 7.15 7.27
    围堰上游面 240 7.13 7.25
    围堰斜直面拐角 270 7.03 7.12
    围堰下游30 m 367 7.06 7.16
    围堰下游90 m 427 7.10 7.29
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    表  2  中间及下游单元应力

    Table  2.   Stress of middle and lower reaches element 单位:MPa

    单元工况导槽应力范围导槽弯曲应力最大值斜撑受力最大值面板受力最大值
    中间单元工况10~1.6×10−312.61.642.0
    工况20~3.0×10−325.03.2356.0
    下游单元工况10.1~0.311.51.540.0
    工况20.1~0.614.91.538.0
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    表  3  中间下游单元变形量

    Table  3.   Deformation of middle and lower reaches’ element 单位:mm

    单元工况导槽斜撑钢板
    中间单元工况14.70.124.5
    工况29.40.246.3
    下游单元工况14.00.1−20.5
    工况26.20.123.0
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    表  4  中下游单元受力

    Table  4.   Force of middle and lower reaches’ element

    单元工况弯矩/
    (N∙m)
    导槽轴
    压力/N
    斜撑轴
    压力/N
    杆件轴向应力
    最大值/Pa
    中间单元 工况1 882.3 379.0 1 342.4 1.6×106
    工况2 1 765.3 760.4 2 685.5 3.2×106
    下游单元 工况1 801.3 313.6 1 219.0 1.5×106
    工况2 1 038.7 396.2 1 606.6 1.9×106
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  • [1] 左丽, 付军, 冀荣贤, 等. 深水条件下自平衡组合式钢围堰设计与现场试验研究[J]. 南水北调与水利科技,2019,17(3):139-146. (ZUO Li, FU Jun, JI Rongxian, et al. Design and field trial of self-balanced composite steel cofferdam in the condition of deep water[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2019, 17(3): 139-146. (in Chinese)

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    [2] 王岩松. 自浮拆除式双壁钢围堰及其升降平台的设计与应用[J]. 铁道建筑技术,2021(7):74-77. (WANG Yansong. Design and application of self floating demolition double wall steel cofferdam and its lifting platform[J]. Railway Construction Technology, 2021(7): 74-77. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1009-4539.2021.07.016

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    [3] 郭海亮, 苏超. 水下混凝土衬砌板修复技术及关键工序控制[J]. 海河水利,2021(3):105-107. (GUO Hailiang, SU Chao. Repair technology and key process control of underwater concrete lining slab[J]. Haihe Water Resources, 2021(3): 105-107. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1004-7328.2021.03.030

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    [4] 武法聘, 张文博. 某施工围挡钢结构设计与分析[J]. 建筑结构,2017,47(增刊1):840-842. (WU Fapin, ZHANG Wenbo. Analysis and design of a steel construction retaining structure[J]. Building Structure, 2017, 47(Suppl1): 840-842. (in Chinese)

    WU Fapin, ZHANG Wenbo. Analysis and design of a steel construction retaining structure[J]. Building Structure, 2017, 47(Suppl 1): 840-842. (in Chinese))
    [5] 钟祺, 郑春雨, 卫康, 等. 复杂地质深水环境中钢围堰类型比选及设计研究[J]. 公路,2021,66(10):210-215. (ZHONG Qi, ZHENG Chunyu, WEI Kang, et al. Comparison and design of steel cofferdam types in complex geological deep water environment[J]. Highway, 2021, 66(10): 210-215. (in Chinese)

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    [6] 黄鑫伟, 程志友, 黄荣超, 等. 大型钢围堰设置对航道水流条件影响[J]. 水运工程,2021(8):122-128. (HUANG Xinwei, CHENG Zhiyou, HUANG Rongchao, et al. Influence of large steel cofferdam setting on flow condition of waterway[J]. Port & Waterway Engineering, 2021(8): 122-128. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1002-4972.2021.08.021

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    [7] 赵振兴, 何建京. 水力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012.

    ZHAO Zhenxing, HE Jianjing. Hydraulics[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2012. (in Chinese)
    [8] 张帅, 陈妍, 刘吉永, 等. 一种适用于大型渠道水中修复围挡结构研究[J]. 人民黄河,2021,43(增刊1):136-138. (ZHANG Shuai, CHEN Yan, LIU Jiyong, et al. Research on a retaining structure suitable for repairing large channel water[J]. Yellow River, 2021, 43(Suppl1): 136-138. (in Chinese)

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    [9] 徐伟, 徐建国, 王博. 多厢矩形渡槽槽身弹性稳定分析的梁壳复合有限条法[J]. 水利水运工程学报,2011(3):77-82. (XU Wei, XU Jianguo, WANG Bo. Elastic stability analysis of multi-trough rectangle aqueduct by beam-shell compound finite strip method[J]. Hydro-Science and Engineering, 2011(3): 77-82. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1009-640X.2011.03.012

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    [10] RAMBERG W, OSGOOD W R. Description of stress-strain curves by three parameters[J]. Technical Report Archive & Image Library, 1943(902): 4-12.
    [11] 白新理. 材料力学[M]. 北京: 科学出版社, 2013.

    BAI Xinli. Mechanics of materials[M]. Beijing: Science Press, 2013. (in Chinese)
    [12] 叶啸飞. 建筑工程项目中钢结构设计的稳定性分析[J]. 中国建筑金属结构,2021(5):70-71. (YE Xiaofei. Stability analysis of steel structure design in construction project[J]. China Construction Metal Structure, 2021(5): 70-71. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1671-3362.2021.05.029

    YE Xiaofei. Stability analysis of steel structure design in construction project[J]. China Construction Metal Structure, 2021(5): 70-71. (in Chinese)) doi:  10.3969/j.issn.1671-3362.2021.05.029
    [13] 中华人民共和国建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 钢结构设计规范: GB 50017—2017[S]. 北京: 中国计划出版社, 2017.

    Ministry of Construction, PRC. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China. Code for design of steel structures: GB 50017—2017[S]. Beijing: China Planning Press, 2017. (in Chinese)
  • [1] 张铭, 谢红, 杨宇, 王晓刚, 赵建平.  崔家营枢纽下游流场模拟与鱼类水力特性偏好研究 . 水利水运工程学报, 2021, (5): 40-47. doi: 10.12170/20201128001
    [2] 王浩然, 王志亮, 王星辰.  含缺陷岩样三轴压缩变形破坏过程颗粒流模拟 . 水利水运工程学报, 2021, (4): 46-53. doi: 10.12170/20200912001
    [3] 康永德, 侯精明, 石宝山, 郭敏鹏, 潘占鹏, 于国强, 洪增林.  泥石流的数值模拟及危险性评价 . 水利水运工程学报, 2021, (4): 75-84. doi: 10.12170/20201029001
    [4] 黄佑鹏, 王志亮, 毕程程.  岩石爆破损伤范围及损伤分布特征模拟分析 . 水利水运工程学报, 2018, (5): 95-102. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.05.014
    [5] 陈灯红, 谢京辉, 杨乃鑫.  基于增量动力分析的混凝土重力坝抗震性能分析 . 水利水运工程学报, 2018, (5): 48-55. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.05.007
    [6] 何玲丽, 田东方.  考虑径流补给的滑坡渗流三维有限元模拟 . 水利水运工程学报, 2017, (4): 105-111. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.04.015
    [7] 周志敏, 徐群, 雷蕾.  瓯江口滞流点运动规律数值模拟 . 水利水运工程学报, 2016, (1): 116-121.
    [8] 王倩芸, 储昊.  透水框架的三方柱绕流数值分析 . 水利水运工程学报, 2016, (6): 61-68.
    [9] 邓成进, 袁秋霜, 侯延华, 贾巍.  基于FLUENT的库区涌浪数值模拟 . 水利水运工程学报, 2014, (3): 84-91.
    [10] 高江林, 陈云翔.  基于渗流与应力耦合的防渗墙与坝体相互作用的数值模拟 . 水利水运工程学报, 2013, (2): 58-63.
    [11] 奚肖亚,刘海祥,叶小强,柯敏勇.  划子口河闸弧形钢闸门三维有限元分析与安全评估 . 水利水运工程学报, 2012, (5): 36-41.
    [12] 刘汉涛,常建忠,安康.  基于SPH的自由表面流动数值模拟 . 水利水运工程学报, 2009, (1): -.
    [13] 吴修锋,林军,吴时强,周杰.  曹娥江大闸围堰工程水流泥沙冲淤数值模拟计算 . 水利水运工程学报, 2008, (3): -.
    [14] 王清云,张多新,白新理.  大型矩型水工渡槽三维流固耦合动力分析 . 水利水运工程学报, 2008, (4): -.
    [15] 潘存鸿,鲁海燕,曾剑.  钱塘江涌潮特性及其数值模拟 . 水利水运工程学报, 2008, (2): -.
    [16] 莫思平,辛文杰,应强.  广州港深水出海航道伶仃航段回淤规律分析 . 水利水运工程学报, 2008, (1): 42-46.
    [17] 何杰,辛文杰.  潮汐河口汊道治理的数值模拟 . 水利水运工程学报, 2008, (1): 61-66.
    [18] 陈为博,杨敏.  用VOF方法数值模拟溢流堰流场 . 水利水运工程学报, 2004, (4): 42-45.
    [19] 刘小明,高作平,甘良绪.  鄂州市樊口大闸钢闸门粘钢加固有限元分析 . 水利水运工程学报, 1998, (3): -.
    [20] 丁方中,许协庆.  溢流坝顶闸下出流的有限元分析 . 水利水运工程学报, 1983, (2): -.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-02
  • 网络出版日期:  2022-05-11
  • 刊出日期:  2022-07-03

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