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1、热力检查室力计算方法研究毕业论文目录中文摘要vABSTRACTvii第一章 绪论11.1引言11.2热力检查室结构设计原理及存在问题11.3国外研究现状31.4本文研究的背景及意义41.5本文研究的容和方法5第二章 检查室力查表计算72.1概述72.2典型检查室计算数据72.3查表计算检查室板力7第三章 检查室力数值模拟计算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检查室力三维数值计算20第四章 检查室力按框架方法计算234.1检查室框架计算方法的提出234.2框架方法的力计算234.2.1框架荷载导算234.2.2框架力计算264.2.3三种计
2、算方法结果对比374.3调整后框架方法的力计算394.3.1框架荷载导算394.3.2框架力计算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由解析计算得到的力524.4.2由数值模拟得到的力554.4.3由框架得到的力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查表计算检查室板力685.4.3 检查室力三维数值计算695.4.4检查室力平面框架解析计算705.4.5双筋矩形截面偏
3、心受压力计算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暗挖法。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
4、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
5、，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2。单元板简化模型，是将检查室六
6、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：模型中考虑了板间力的相互影响作用，避免了检查室力及变形的不连续性和板间交接处力不平衡问题。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
7、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算法、力学计算法、弯矩分配法、有限差分法和有限元法。古典弹性计算方法，是一种最基本的热力检查室单元板简化模型的计算方法。它是以结构的平衡条件及应变协调条件为依据，由板的弹性曲面微分方程，即板的拉格朗日(lagrange)方程，结合板的一定边界条件，来进行单板的力及变形计算。力学计算法，是一种在复杂结构问题求解中所普遍用到的计算方法。这种计算方法基本的思想是，通过各种方式的简化、转换，将一个复杂的结构体模型转化为一系列相对简单的梁单元，然后应用结构力学的基本计算理论，进行结构的具体计算。弯矩分配法属于一种改
8、进了的力学计算法。基本设计思想是：在相邻板的共同棱边上，首先加以人为约束，使板的边缘固定，此时，板的边缘必产生固端弯矩。由于两相邻板不同而产生的不平衡力矩有使板边缘产生转动的倾向。当放松人为约束时，由于在不平衡力矩作用下棱边发生转动而使两相邻板产生变形和新的分配弯矩。此分配弯矩是板抵抗棱边转动所产生的弯矩，等于将不平衡力矩按相邻板的劲度比反向分配于各板的弯矩值。各板边缘的最终弯矩等于分配弯矩与固端弯矩的代数和。有限差分法对于板面上有限量的点的挠度用一个联立线性代数方程组代替拉格朗日四阶偏微分方程进行求解。求得这些挠度后，再通过与弹性理论相似的方法，利用各种力与挠度间的转换关系，求得板的其它力。
9、在应用联立线性代数方程组替代板的拉格朗日四阶偏微分方程时，需要用到有限差分算子的倒数以及力。有限元技术是一种既适合于检查室的单元板简化模型计算，又适合于检查室整室简化模型计算的数值方法。这种计算方法与有限差分法最大的不同，在于它是将单元板分成许多矩形，三角形或四边形的面积或单元，而不是网格，所研究的是分割出的小面积而不是网格。每个单元都具有己知的或可精确地近似的弯曲变位的特性。一般的分析方法是将荷载集中作用在割出的单元的角部(或结点)上，然后再在每个结点上(有时也在中间的一些点上)重新恢复斜率和变形的连续性，以满足平衡条件和边界条件。在当今有限元技术的发展阶段中，有许多技巧因素渗入了科学方法之
10、。选择单元的形状、单元的数量、具体的变位特征、单元的定位、单元的数量等都会影响解的最终结果。有限元技术采用较简便的方法即可满足几乎任何边界条件，所以它是一个有力的分析工具。目前已有很多专门用于有限元运算的软件，例如：ANSYS，ABAQUS等。这些有限元软件能帮助我们分析工程应用中复杂的结构体系。五种计算方法各自都有优点和不足，但在实际工程中还有需要进一步解决的问题。在实际工程中，设计人员将检查室的各块板单独按照荷载结构模型计算，实际上，组成检查室的各板之间并非相互独立，互不影响的，各单元板在承载的过程中，向与之相邻的板面进行传递，从而使得检查室所受外部荷载在检查室部产生了重分配，这种把各板当
11、做独立板的计算方法计算结果过于保守，会造成钢材的浪费。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。所以热力检查室板的力计算方法有待于我们进一步探讨。1.3 国外研究现状对于城市地下热力结构工程，目前国外都有相关的工程实践，但具体的规性的还很稀缺，多是借鉴相关专业的设计规和设计经验。对于矩形检查室板间连接及其相互影响的研究是一个十分复杂的问题。在检查室中各块板的刚度不一，研究中需要考虑组成检查室各板件的材料性质、各板件间钢筋的连接形式以及各板面上荷载的作用情况等诸多难以确定因素的影响，所以一直以来国外对此问题的研究都很少。工程中往往将各块板从检查室中简化出来单独计算，一块完整
12、不开孔的板，在大多数支撑条件下，其弯矩可按建筑结构静力计算手册通过查表算出，但这一解析法的缺陷有二：不能考虑有些支撑条件；力只有弯矩，没有杆件的轴力；而在实际检查室中，还要处理各板件连接的问题，可以通过对板间相交处的力的近似重分配(或按板的线刚度分配，或按板的劲度分配)，来解决相邻板面上弯矩的不平衡问题，以及要求在实际结构配筋中，通过一些构造上的规定来抵消板间作用对整室结构可能带来的一些不利影响2。目前对检查室的力一般采用解析方法查表计算。没有考虑六块板的协调变形；没有考虑杆件的轴力；对开孔的影响采用局部加强的办法进行处理。对地下检查室这样类似的构筑物，如地铁车站，除按单板解析计算外，有些设计
13、单位开始采用平面框架有限元数值方法计算。复杂情况下，进行三维有限元计算以作设计参考。但是，地下检查室简化为平面框架，一般是在长宽比在2倍及以上是合适的，短于这个尺寸，平面框架上作用的荷载如何确定，需要深入研究。为了解决实际问题，有时规会对实际情况做相应的简化处理，如在给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程中规定3，当顶板为预制装配板搁置在池壁顶端而无其它连接措施时，顶板应视为简支于池壁，池壁顶端应视为自由端当预制顶板与池壁顶端有抗剪钢筋时，该节点视为铰支承；当顶板与池壁为整体浇注并配置连接钢筋时，该节点视为弹性固定；当仅配置抗剪钢筋时，该节点视为铰支承；池壁与底板、条形基础或斗槽连接，可视池壁
14、为固端支承；对于软基上的水池，应考虑地基变形的影响，宜按弹性固定计算；当池壁为双向受力时，相邻池壁间的连接应视为弹性固定。目前有限元数值计算方法应用广泛，其突出优势是能够考虑不同材料、不同几何尺寸（包括板的开孔）、不同支撑条件及不同荷载形式等复杂条件。因此，数值计算方法在实践中使用越来越多。但是，把数值计算的结果直接用于设计的却不多。一般认为其计算结果偏小，不能保证安全。热力事业在最近几十年得到蓬勃发展，与工程建设不相适应的是，目前的热力结构相关设计规和计算方法无法满足需求，规仅涉及到明挖的管沟与检查室，对暗挖及较大埋深结构没有明确规定，尤其对热力地下结构工程的设计，尚没有专业的设计规和行业专
15、家认同的一些经验数据。目前热力地下结构设计还是参照城镇供热管网结构设计规及地下铁道设计规等相关规，所以急需要编制地下热力工程的结构设计规或指南，从而规各种结构的计算模型，对计算方法进行分析，在实验和分析的基础上对各种计算参数进行合理的取值，使地下热力工程的结构更加安全、经济和合理。1.4 本文研究的背景及意义本文的研究是以市热力工程设计有限责任公司与交通大学合作项目热力检查室力计算方法研究的一部分，其目的是为热力检查室板结构设计提供相应的技术依据。本文针对热力检查室的力计算方法这一问题，提出了一种解决检查室板力的新途径，经验证表明所计算出来的值在解析解和数值模拟解之间，通过工程实例也得到印证，证明提出方法的可行性，为检查室板力计算提出了一种更合理的结构计算方法，可以为工程设计人员在设计中作为参考。本文对热力检查室结构设计方法的研究，有着较强的理论价值和现实意义。1.5 本文研究的容和方法本文的主要容包括：（1） 对典型检查室进行查表计算，得到各个检查室力的解析结果。（2） 对典型检查室进行三维有限元数值模拟，得到各个检查室力的数值模拟结果。（3） 提出检查室闭合框架计算方法，用此方法对典型检查室进行计算，得到各个检查室的力。（4） 对以上三种方法得到的计算结果进行分析对
