基于WebGL技术的某升船机塔柱结构仿真可视化平台研究

在数字化技术应用于水利水电工程的大背景下,为在某升船机塔柱结构数字化升级项目中实现智慧化模拟,完善可视化和数据交互能力,研发一个结构仿真可视化平台。平台采用WebGL技术,在网页端对有限元网格模型进行重绘;提供云图及变形动画渲染功能,用于展示前、后处理数据;研究有限元数据处理、模型面片和云图渲染优化技术,用于高效渲染。平台在某升船机数字化项目中得到了良好应用,可视化功能可用于常用结构分析,并基于平台接口开发监测对比功能,可提高运行管理单位对结构安全的分析水平,相关技术可用于其他水利水电工程结构的仿真可视化平台中。

三峡升船机结构地震反应分析

三峡升船机是长江三峡工程通航建筑物的一个重要组成部分,也是目前世界上规模最大、技术难度最高的升船机。地震作用增加了升船机结构特别是其导向系统设计的难度,抗震问题成为升船机研究中的一个关键方面。采用数值模拟的方法,研究三峡升船机结构的动力特性、结构的加速度与位移反应、墙体应力与联系梁内力反应,同时还分析比较多种因素对船厢与塔柱之间地震耦合力的影响。结果表明,船厢内水体的基频远离塔柱结构的基频,水体对塔柱结构的动力影响不大;塔柱结构墙体应力不大,但是顶部联系梁特别是在横梁变截面处及梁根部附近局部区域内力较大;各种因素对横导向机构的地震耦合力影响不大,横导向耦合力约为1MN;纵导向地震耦合力较大,并显著受到多种因素的影响;船厢在上部时纵导向地震耦合力最大,但是阻尼器的设置可以有效地降低纵导向耦合力,增加相当于5%阻尼比的阻尼器即可以使耦合力从8.11MN降低为6.98MN。

景洪水电站升船机塔楼的振动台模型试验

通过对刚性地基升船机塔楼结构的振动台模型试验获得了塔楼结构动力特性和对输入地震波的动力响应,发现结构由水平振动引起的竖向振动明显。通过对比试验结果,分析了竖井内水体与结构相互作用对结构的影响,自振频率下降、阻尼比在不同频段内变化、动力响应减小。试验结果为进一步研究结构—水相互作用的影响提供了对比依据。

景洪水电站水力式升船机塔楼结构性态分析

针对水力式升船机的受力特点,拟定了其设计工况和主要荷载的取值,在此基础上采用数值计算方法对景洪水力式升船机的塔楼结构性态进行了研究.结果表明,该塔楼结构形式合理,但由于结构较为单薄,其应力状态较为复杂,许多部位出现较大的拉压应力,需要采取一定的工程措施来改善这些部位的应力状况.

水口水电站升船机塔楼结构动力试验研究及数值分析

采用振动台动力模型试验和有限元数值计算2种方法,对水口水电站升船机塔楼结构的抗震性能进行分析研究,综合评价升船机塔楼结构的抗震安全性.结果表明:模型试验和有限元计算的结果基本一致,可为结构的抗震设计提供科学的依据.

某大型升船机塔柱结构模型振动台试验研究

本文介绍某大型升船机塔柱结构这一门式连体结构1/25缩比结构模型的振动台试验研究结果。试验中考虑了不同加速度记录、单向或多向同时激励等不同激励方式、加速度峰值以及船厢不同工作位置等因素的影响。试验结果表面,由于塔柱结构对称性强,塔柱结构的响应以单向响应为主,双向或三向同时激励下塔柱结构的响应可由单向激励下的响应合成;沿塔柱高度其纵横向的最大加速度响应包络图呈S形分布,在10层附近塔柱的加速度响应较小,此特征不受输入方式及输入地震动不同的影响;随着激励水平的提高与模型损伤的积累,塔柱水平加速度动力放大系数沿高度趋于均匀;船厢不同工作位置对塔柱结构的动力响应影响很小,但对船厢和塔柱结构间耦合力的影响显著,船厢处于最高位时耦合力最大。基于试验结果,得出现有设计结果可以保证该升船机塔柱结构在设计地震下的安全并有足够的安全储备。

三峡升船机安全机构埋件传力机理研究

三峡升船机是世界上技术难度和规模最大的垂直升船机,选用长螺母-短螺杆系统作为遭遇事故时的安全机构,安全机构传力可靠性对于保障升船机安全运行至关重要。建立了螺母柱结构精细化仿真计算模型,按照设定的事故工况研究了螺母柱的变形与应力,计算结果表明,螺母柱、工字钢、灌浆材料、一期混凝土、预应力锚栓、钢筋的拉压应力均小于相应的强度值,设计提出的传力机理与数值计算结果相吻合。沉船事故工况与船厢水泄空工况的原型试验结果表明,螺母柱埋件在试验过程中的位移很小,且未发现其他破损现象,此结果证明了螺母柱结构的可靠性,也验证了设计阶段的分析结论。

向家坝升船机塔柱简化结构大震不倒研究

鉴于齿轮齿条式升船机过坝速度快、运行安全可靠,已在我国的大型水利水电工程中得到广泛应用。但是齿轮齿条式升船机结构型式复杂,其抗震研究基础薄弱,现行抗震规范中均没有专门针对该结构抗震设计的条文,因此急需进行抗震研究。本文对地震设防烈度达8度的向家坝升船机塔柱结构,采用静力和动力弹塑性分析方法,研究了大型升船机塔柱结构的薄弱部位和可能的破坏模式,分析结果与该结构的振动台模型试验结果规律一致。研究结果进一步表明该升船机结构抗震设计合理,具有多道抗震防线,有较好抗超设计地震的能力。

三峡升船机塔柱结构运行期有限元分析

通过三维有限元仿真计算模拟施工浇筑全过程以及年气温变化,研究了三峡大坝升船机塔柱结构在运行期的工作状态,以及气温骤降、日照作用、混凝土干缩分别对塔柱结构的影响。研究结果表明:运行期塔体变形随年气温周期性变化而变化,各方向应力水平不高,在2 MPa以内;气温骤降在底板和塔柱筒体结构外表面引起最大约3 MPa的拉应力,齿条和螺母柱竖直向收缩约4 mm;日照作用在齿条和螺母柱部位引起的横河向位移小于1.5 mm,竖向位移小于0.4 mm;在塔柱混凝土干燥的早期,位移的变化幅度较大,而后期位移变幅逐渐减小直至稳定。

高耸升船机塔柱结构抗风数值风洞模拟

利用数值风洞模型技术,采用原始不可压缩黏性流体N-S方程描述风场的运动,建立合适的计算域边界条件,基于ADINA有限元分析软件,提出了一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,并通过算例验证了该方法的正确性和有效性;结合工程实例,分析了升船机塔柱结构的风致响应,求得升船机塔柱结构风载体型系数,推导了升船机塔柱结构顺风向风振系数表达式,并与规范值进行了对比。数值模拟结果表明:高耸升船机塔柱结构顺风向最大位移出现在其迎风面顶部附近;数值风洞模型计算得到的升船机塔柱结构风载体型系数大于规范值;对于顺风向风振系数而言,在结构高度90 m以上区域规范值都偏小。

大型升船机塔柱简化结构的抗倾覆稳定性分析

鉴于齿轮齿条式升船机过坝速度快、运行安全可靠,已在我国的大型水利水电工程中得到广泛应用。由于升船机支承塔柱高宽比通常大于6,在水平地震荷载作用下,受到很大的倾覆力矩,使得基础的一侧发生破坏,当结构倾覆力矩超过由结构自重产生的恢复力矩时,结构将发生转动,当转角大于临界倾覆角时结构将会发生倾覆。因此需要评价升船机塔柱结构在强震作用下的转动稳定性。本文基于MATLAB 7.0,编制了摇摆反应控制方程求解程序,利用该程序对大型升船机塔柱简化结构进行了抗倾覆稳定性分析。研究表明:地震波的频谱特性、高宽比、结构尺寸对结构抗倾覆能力有很大影响。应重点关注升船机塔柱结构底部拉应力集中区以防止应力过大引起底部脱开而发生摇摆失稳。

三峡升船机塔柱结构变形及其机构适应性研究

三峡升船机作为世界上规模和技术难度最大的垂直升船机,也是我国第一座齿轮齿条爬升、长螺母-短螺杆安全机构、平衡重式垂直升船机,其塔柱结构变形与承船厢相关机构的适应性是三峡升船机能否正常可靠运行的关键问题。在三峡升船机的设计阶段,基于设计荷载及其组合开展了塔柱结构变形的计算分析,研究提出了重点部位最大可能变形预测值,并对这些重点部位的机构适应性进行了评估;在调试运行阶段,基于变形监测资料对塔柱结构的变形进行了反演分析,反演分析结果表明,设计阶段的变形预测值及其规律与实测值基本相符,重点部位的实际变形值小于按照极端情况提出的最大可能变形预测值,也小于相应机构的适应值,升船机运行状态良好。文中采用的塔柱结构荷载组合及变形预测方法,以及通过最大可能变形预测值评估机构适应性的方法是合适的,该方法也可用于200 m级同类型升船机的设计分析。

某大型升船机塔柱结构动力特性有限元分析

利用壳体、梁与块体单元建立某大型升船机有限元模型,运用通用有限元软件ADINA对该升船机结构进行动力特性分析。在模拟过程中,采用壳体-实体过渡单元来解决壳体与实体单元连接时自由度不同的问题。大型升船机塔柱结构模型的动力特性计算结果为大型升船机塔柱的动力分析提供了参考依据。

超高扬程升船机顶部机房形式及地震鞭梢效应分析

以白鹤滩超高扬程齿轮齿条垂直升船机工程为例,对不同机房形式的升船机方案,运用ANSYS有限元软件,建立了考虑地基-塔柱-顶部机房共同作用的升船机塔柱结构三维有限元模型,采用时程分析法计算升船机塔柱和顶部机房在不同工况下的位移和加速度响应,对比不同工况的地震响应和鞭梢效应。研究结果表明:塔柱结构一阶振型是横向振动,二阶振型是扭转振动,进行塔柱结构设计时有必要适当增强结构的抗扭刚度;地震作用下超高扬程升船机结构鞭梢效应明显,分离式机房较整体式机房在鞭梢效应方面表现更弱。在升船机结构设计时宜合理选定机房形式,塔柱顶部宜采用梁板结构连系。

水力式升船机单井塔柱内对拉钢索优化布置

单井型塔柱结构极大改善了水力式升船机竖井水位同步性问题,但随着提升高度增大,竖井内水深越大,侧壁位移、弯矩过大等问题更加突出。以150米级单井塔柱为例,提出了竖井内布置对拉钢索的设想和简化布置方案。基于钢索拉力权重分配系数的优化方法,取得了钢索等应力的密度分布最优解,并离散转化为等效的等荷载布置方案,可在实际工程中应用。经有限元模型结果对比分析,等荷载布置与简化方案相比,最大位移可减小47.44%,纵竖向弯矩极值差别不大。与无钢索方案比较,最大位移、纵向弯矩、竖向弯矩可分别减小93.5%、74.36%、75.84%。高强钢索预应力方案值得进一步研究。

高扬程升船机不同壁厚塔柱结构的抗震性能分析

基于200米级高扬程升船机固定壁厚塔柱结构形式,以混凝土用量一致为原则,拟定变壁厚塔柱结构形式。采用有限元软件ABAQUS,分别建立了固定壁厚和变壁厚两种塔柱结构模型,对塔柱结构的动力响应进行对比分析。结果表明:1)在自重荷载、风荷载和8度地震作用下,固定壁厚塔柱结构和变壁厚塔柱结构的顶部最大位移分别为38.5、34.7 cm,均满足规范限值。2)3条地震波作用下,两种塔柱结构的顶部加速度比底部加速度都大,呈现加速度放大效应,放大2倍左右。3)筏形基础与塔柱结构交界面出现了压应力集中,筏形基础左右、中间部分及筒体内部区域出现了拉应力集中。塔柱截面和挡土墙交界处易发生应力集中。4)变壁厚塔柱结构的顶部最大位移,筏形基础的最大拉、压应力,截面最大等效应力,均比固定壁厚要小较多。变壁厚塔柱结构形式更优。

白鹤滩水电站升船机塔柱结构抗震性能分析

采用ABAQUS有限元软件建立了白鹤滩水电站升船机塔柱结构有限元模型,研究塔柱结构在地震荷载作用下的位移、加速度和应力响应。计算结果表明:在单独水平地震作用以及水平、竖向地震共同作用下,塔柱顶部的水平位移最大值分别为30.59 cm和31.84 cm,均小于水平位移限值,满足规范要求。为研究塔柱结构的P-Δ效应影响,对水平和竖向地震作用下的塔柱结构进行考虑非线性的动力时程分析。结果表明:考虑P-Δ效应后,结构的动力响应总体呈现放大效果,位移最大值、加速度最大值和应力最大值增幅在10%左右,说明P-Δ效应会在一定程度上削弱结构的抗震性能,因此在此类高耸结构的抗震性能研究中,P-Δ效应的影响不可忽略。

景洪水力式升船机高耸薄壁混凝土塔楼结构动力特性研究

采用动力模型试验和有限元动力分析两种手段,对景洪水电站水力式升船机塔楼结构的动力特性和动力响应进行分析研究,在此基础上对水力升船机塔楼这种新型结构抗震安全性进行综合评价。结果表明:动力模型试验和有限元数值计算的结果基本一致,塔楼结构形式合理,但由于结构较为单薄,其动力响应较为复杂,许多部位出现较大的动应力,需要采取工程措施来改善这些部位的应力状况。

地震作用下大型升船机结构的时变动力可靠度

利用三维有限元方法对三峡升船机塔柱结构的动力学特性及随机地震响应进行了计算分析,结果表明塔柱结构柔度较大,其顶部节点随机地震位移响应为中宽带过程。在此基础上,采用首次超越破坏机制,以塔柱结构顶部典型位置的位移限值为可靠度界限,对设计地震烈度下升船机塔柱结构的时变动力可靠度进行了计算分析,得到了塔柱结构设计基准期内的时变动力可靠度,并讨论了可靠度界限值的随机性对结构抗震时变可靠度计算结果的影响,建议升船机结构抗震可靠度计算模型采用Markov过程假定。该文可为升船机结构设计及安全运行提供必要的参考。