Finite Element Method for Design of Reinforced Concrete Offshore Platforms

A design method of reinforced concrete (R. C.) offshore platforms with nonlinear finite element analysis is proposed. According to the method, a computer program is developed. In this program nonlinear constitutive relationships and strength criteria of concrete and steel bars are included, and the progressive cracking and crushing of the concrete are taken into account. Based on the stress distribution obtained by the nonlinear finite element analysis, the amount of reinforcement in the control sections can be computed and adjusted automatically by the program to satisfy the requirement of the design. The amount of reinforcement required in the control sections, which are obtained with the nonlinear finite element analysis, is agreeable to that obtained in the experiment. This shows that the design method of R. C. offshore platform with the nonlinear finite element method proposed by the authors is reliable for practical use.

带有防火保护的圆钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能分析与设计

抗火性能是圆钢管约束钢筋混凝土柱设计时的关键问题之一,尽管目前相关研究已逐渐完善,但带有防火保护条件下该类构件的抗火性能研究与设计仍不充分,已有的行业标准中构件高温稳定承载力公式未与常温公式相连续,且其中的防火保护层设计公式不具有明确的物理意义。基于ABAQUS软件,该文开展了带有防火保护圆钢管约束钢筋混凝土柱在ISO 834标准火灾作用下温度场和耐火极限的有限元分析,研究了荷载比、截面尺寸、长细比、防火保护层厚度等关键参数对构件耐火极限的影响规律,并提出了钢管温度、钢筋温度以及混凝土等效温度的简化计算公式。结果表明:随着防火保护层厚度的增大,构件的耐火极限近似线性增大。基于系统性参数分析,提出了带有防火保护圆钢管约束钢筋混凝土柱高温下截面承载力和稳定承载力设计公式,以用于确定构件达到不同耐火极限所需的防火保护层厚度,该方法保持了与现行标准中常温承载力计算公式的连续性。

圆形压力隧洞限裂配筋设计方法研究

为研究圆形压力隧洞衬砌合理的限裂设计方法,采用钢筋混凝土有限单元法对隧洞衬砌的受力特性进行分析,指出隧洞衬砌具有内力值随衬砌开裂区域增加而减小、配筋取决于裂缝宽度的限制要求而非承载力、规范中的裂缝宽度计算公式不适用等特性。通过对厚壁圆筒承载力计算公式的重新推导,指出该方法没有引入裂缝处环向钢筋应变最大值与环向钢筋在整个圆周内平均应变的比值ψ',使得钢筋面积计算值过小。鉴于隧洞衬砌的受力特性及没有合适的ψ'计算方法,建议取消厚壁圆筒公式,而采用钢筋混凝土有限单元法进行隧洞衬砌的配筋计算。对能由有限元计算直接求得裂缝宽度的衬砌,以裂缝宽度限值要求确定钢筋用量与布置;对不能由有限元计算直接求得裂缝宽度的衬砌,以限制钢筋应力来控制裂缝宽度,即以钢筋应力限值要求确定钢筋用量与布置。最后,通过较多的算例给出隧洞衬砌的钢筋应力限值,当保护层厚度为50mm时钢筋应力限值可取120MPa,当保护层厚度为100mm时钢筋应力限值可取100MPa。

公路桥梁钢筋混凝土墩柱位移延性研究

准确评估公路桥梁墩柱的位移延性能力,对于保证公路桥梁结构在地震作用下的安全性具有重要意义。应用有限元分析方法对不同设计参数的公路桥梁RC墩柱截面进行弯矩曲率分析,设计参数包括纵筋配筋率和轴压比等,得到不同设计参数墩柱的弯矩曲率曲线。通过面积相等原则确定等效屈服曲率,得到不同设计参数下的墩柱等效屈服曲率和极限曲率。通过对墩柱截面设计参数的影响因素分析,得到墩柱位移延性能力的主要影响因素。研究表明,墩柱的位移延性能力受约束混凝土极限应变、钢筋屈服应变、混凝土强度等级、轴压比及纵筋配筋率影响。其中,约束混凝土极限应变越大,墩柱的位移延性能力越强。增加箍筋体积配筋率,采用高强钢筋对提高墩柱位移延性能力都是有利的。相比而言,增大轴压比、纵筋配筋率以及提高混凝土强度等级会使得墩柱的位移延性能力降低。通过回归分析得到两类截面墩柱的受压区高度计算公式和等效屈服曲率计算公式,并与规范计算公式进行了比较。得到两类截面墩柱的位移延性系数的理论计算公式,为墩柱基于性能的抗震设计提供理论基础。

刘家峡水电站扩机工程调压井结构研究

基于三维有限元法,对刘家峡水电站扩机工程调压井结构进行了静力、反应谱分析及非线性有限元分析,评价了结构的荷载效应。首先根据线弹性有限元分析结果,采用拉应力图法对调压井衬砌结构进行了配筋;然后以考虑混凝土开裂的非线性有限元方法校核结构强度和裂缝宽度。通过调整配筋面积,提出了适合于该水电站扩机工程调压井结构的最优结构型式和配筋方案。

基于有限元分析结果的混凝土板板带截面设计法

详细讨论了基于有限元分析的钢筋混凝土和预应力混凝土楼板的板带截面设计方法。依据现行规范 ,用有限元分析结果进行混凝土板设计 ,简便实用 ,物理意义明确 ,分析精度高 ,适用范围广 。

大型海洋平台基础结构有限元分析

某大型海洋平台基础采用平台板+桩基础组合形式,承台面为椭圆形,台面尺寸为147.6m×99.0 m,平台板为混凝土板和钢梁组成的叠合梁板结构。该工程地处世界三大强潮海湾之一,所受荷载与当地地质条件均较复杂。介绍了应用有限元对其进行结构分析的实施方法及过程,采用弹性抗力法考虑了桩-土共同作用,重点探讨了钢梁加混凝土厚板组成的叠合梁的有限元模拟方法。通过对比分析,提出了计算结果精度高、可操作性强的叠合梁有限元模拟方案。有限元分析结果表明,该平台钢管混凝土桩与钢梁均满足材料强度要求,但在施工阶段,桩内存在拉力。

连续配筋混凝土板在岩溶及采空区公路建设中的应用

采用连续配筋混凝土板对岩溶及采空区路基进行处理 ,可增强路面层抵抗弯矩的能力 ,消除安全隐患 ,具有良好的经济效益。本文给出的连续配筋混凝土路面板配筋计算公式经济合理 ,三维有限元整体分析安全可靠 ,对于西部高等级公路岩溶及采空区的处理具有较好的借鉴意义。

厦漳跨海大桥南汊主桥桥塔设计

厦漳跨海大桥南汊主桥为主跨300m的双塔结合梁斜拉桥。对H形、钻石形、菱形和宝瓶形等塔形进行比选,最终确定该桥桥塔采用改进的H形钢筋混凝土桥塔(上塔柱竖直,中塔柱倾斜,下塔柱外侧面竖直、内侧面倾斜)。桥塔塔柱采用矩形空心截面,在塔底设置高4.0m的实体段;钢锚梁采用开口箱形截面;塔柱横梁为全预应力混凝土结构,箱形截面;承台采用哑铃形截面;桥塔基础采用钻孔灌注桩群桩基础。为检验桥塔受力,对裸塔和全桥进行整体计算,并采用ANSYS和MIDAS分析桥塔关键部位局部受力。分析结果表明,桥塔各部位受力均满足规范要求,并有一定的安全储备。

平面钢筋混凝土框架结构优化

采用Matlab和ANSYS混合编程的方法编写了平面钢筋混凝土框架结构的优化设计程序,充分发挥了各自的优势,节约了结构优化程序的开发成本.程序中调用ANSYS完成结构有限元分析,而后采用Matlab中遗传算法(GA函数)完成优化分析,二者之间通过调用磁盘文件的方法进行数据传递.最后通过算例分析证明了程序的可行性,同时根据结果对比进一步验证了遗传算法在结构优化方面的优势.程序用户界面友好,操作方便,对结构优化实用化的发展起到一定促进作用.

高温下T型加强环相贯节点承载力与变形性能研究

利用有限元程序ABAQUS计算了海洋平台内部设置加强环的T型相贯节点在不同温度下的极限承载力,探讨了T型相贯节点在不同温度下的极限承载力和变形性能,考虑了在主、支管相交区域内设置不同数量、不同宽度和厚度的加强环对节点在不同温度下极限承载力的影响,并和不设加强环的T型相贯节点的极限承载力进行了比较。

钢筋混凝土T形梁优化设计研究

利用有限元软件ANSYS建立钢筋混凝土T形梁参数化模型,以截面尺寸和纵向受力钢筋面积为设计变量,以造价最省为优化目标,并以跨中挠度、最大混凝土压应力和钢筋拉应力为状态变量,对钢筋混凝土T形梁设计进行了优化,与规范设计相比,有限元优化设计能得到更加经济合理的结果。

地基梁配筋设计方法研究

采用非线性钢筋混凝土有限单元法,同时考虑工作和钢筋混凝土的材料非线性特性,对较多地基梁算例进行了有限元计算,得出地基梁和位移随钢筋用量的变化规律,并根据该规律指出地基梁可不进行承载能力极限状态计算,钢筋用量由正常使用极限状态允许裂缝宽度来确定的概念,给出了地基梁裂缝宽度计算公式,形成了新的地基梁配筋设计方法.

夜郎湖大桥主拱圈悬臂浇筑施工挂篮优化分析

夜郞湖大桥为净跨径210m的上承式钢筋混凝土箱形拱桥,主拱圈采用斜拉扣挂悬臂浇筑法施工时,提出了一种新型三角桁架式挂篮。挂篮自重(含模板)82.5t,最大承重188t,初步设计采用4根锚吊杆,锚固在拱圈底板。为验证挂篮初步设计方案的可行性,采用MIDASCivil和MIDASFEA有限元软件分别建立挂篮整体模型和拱圈1号节段模型,分析挂篮及拱圈局部受力性能;并根据分析结果进行挂篮优化设计及分析。结果表明:初步设计方案下挂篮应力较大,拱圈节段在锚吊杆锚固附近的主拉应力过大,不能满足施工要求;将锚吊杆数量优化为2根,并将锚固位置移至拱圈顶板后,与初步设计方案相比,优化方案的经济性更好,拱圈节段受力更合理,新型挂篮的优化设计方案可行。

核心钢管混凝土短柱轴压受力机理及设计方法研究

为研究核心钢管混凝土(CSTRC)短柱轴压受力机理及设计方法,完成了7个CSTRC柱和2个RC柱的轴压试验,采用有限元软件ABAQUS对CSTRC柱轴压全过程进行数值仿真。在试验验证的基础上,利用有限元模型研究了CSTRC柱的轴压机理和轴力分配规律。研究表明,核心钢管混凝土柱试件中,钢管对内部混凝土的约束作用明显,钢管外部混凝土对钢管的约束作用可以忽略,其承载力可按RC部分与钢管混凝土柱部分承载力进行线性叠加。根据有限元分析结果,提出了CSTRC柱中钢管混凝土部分的承载力发挥系数。本文成果可为CSTRC结构的设计和应用提供参考。

攀枝花市新密地大桥主拱圈设计

攀枝花市新密地大桥为上承式钢筋混凝土箱形拱桥,孔跨布置为(27.5+22.55+189.9+22.55+27.5)m,主拱圈为悬链线无铰拱,采用挂篮悬臂浇筑法施工。主拱圈净跨径182m、净矢高30.333m、净矢跨比1/6、拱轴系数1.988。拱圈截面为单箱双室,高3.5m、宽9.6m。主拱圈的拱顶预拱度设计值为0.36m,为净跨径的1/506。采用MIDAS Civil软件建模进行成桥弹性阶段主拱圈应力验算,结果表明,主拱圈各截面上缘和下缘的正应力均为压应力,关键截面最小压应力为0.97MPa,最大压应力为15.4MPa,无受力裂缝,有利于提高结构耐久性。

Dadinkowa水电站厂房蜗壳外围薄壁混凝土受力分析

针对国内对水轮机蜗壳外围薄壁混凝土结构研究较少、设计经验欠缺的问题,以尼日利亚Dadinkowa水电站厂房续建项目为典型案例,对水电站蜗壳外围薄壁混凝土结构进行设计分析。建立三维有限元模型,分析蜗壳外围混凝土在正常运行工况和检修工况下的应力,提取内力进行配筋计算;建立蜗壳0°断面的平面有限元模型,分析蜗壳顶部及基坑里衬附近混凝土应力,提取弯矩和轴力进行正截面和斜截面承载力计算。结果表明,基坑里衬附近混凝土尺寸较小,最薄处仅约21 cm,压应力峰值位于内侧,为5.67 MPa,未超过C25混凝土抗压强度;拉应力峰值位于外侧,为1.55MPa,最大拉应力范围较小。从而,混凝土尺寸能够满足斜截面抗剪承载力要求,无需另外设置抗剪钢筋。为保障结构安全,采用一期混凝土凿毛4 cm、配合植筋φ16@1×1 m的措施,基坑里衬采用双层双向配筋和C30混凝土,蜗壳及引水钢管顶部设置弯起φ32@15 cm钢筋提高斜截面承载力。设计经验可为同类工程设计提供参考。

海洋平台铁舾装减重研究

海洋平台重量控制中,铁舾装等重量往往被忽视,并且设计一般以经验为主。但是,铁舾装减重对海洋平台设计意义重大。本文以铁舾装件中典型的花钢板设计为例,提出一种可操作性强,又满足安全性要求的铁舾装重量控制方法。首先进行相关规范的研究,确定规范中对这些铁舾装件的设计要求,然后根据规范的规定情况进行设计研究。经过研究可知,目前依据经验设计的铁舾装件,普遍过于保守。通过精确的计算,得出指导性设计选型数据。

钢筋混凝土异形板有限元分析与配筋设计

本文从钢筋混凝土板的内力平衡微分方程和下限定理出发,对板的设计原理进行分析,从而指出钢筋混凝土异形板采用基于有限元的内力分析却忽略其扭矩的传统设计方法所存在的问题,并在此基础上提出合理的设计建议,通过对案例进行分析,证实其合理性。本文的异形板有限元分析和设计方法可供相关工程参考。

考虑温度作用的热带地区地上水池内力分析

针对热带地区地上式钢筋混凝土水池受温度作用影响较大的特点,找出适用于水池池壁在温度作用下弯矩的计算方法,利用国际流行的STAAD软件对水池结构进行有限元数值模拟计算,对比分析了是否考虑温度作用下水池底板、侧壁和边墙板带弯矩的大小和分布特点,为类似地区电厂水池结构设计提供参考。