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原文传递航道整治工程中软体排沉排力学特性的研究

论文题名：	航道整治工程中软体排沉排力学特性的研究
关键词：	航道整治;软体排沉排;力学特性;数值模拟
摘要：	航道整治是保证船舶航行安全的工程措施。一般通过利用整治建筑物来调节水流与河床，而整治建筑物（如丁坝、潜坝）多采用沉排护底。从工程技术的角度来看，航道整治的完善与否就取决于这些坝体的稳定。而坝体的稳定性又依赖于护底的稳定。　　当前，作为一种新型护底结构——由土工织物和压载物组成的系结压载体软体排，由于其整体性强、排体具有柔韧性，能较好地紧贴河底、抗冲击性能好，使用年限也较长，作为整治建筑物的构件，常用于各种坝的护底。因此，在实际的航道整治工程中，越来越多地使用系结压载体软体排沉排工艺。　　但是，在长江流域中进行软体排沉排时，由于水位高、流速大，软体排在水中的挂载长度和重量都很大，排体所受的水流冲击力也大，导致排体所受的拉力增加，排体的基布和加筋条的受力十分复杂。加之沉排施工工艺尚不成熟，对于软体排沉排力学特性的已有研究成果又较少，使安全事故时有发生，阻碍了软体排沉排工艺更广泛的应用。因此，系统研究软体排沉排时的力学特性就成为推广沉排工艺，加速航道整治急待解决的问题之一，不仅具有理论价值，而且具有实用价值。　　论文的研究主要包括以下几个方面：　　（1）讨论了天然河道中水的流速分布，并对紊流流速分布的两类公式进行了比较，确定了易于实施的指数流速分布公式。在此基础上借助水力学中连续性方程和动量方程，得到了不同水面流速的天然河道中沉排时，排体在不同水深处所受到的动水作用力的计算公式，为排体沉排荷载中的动水作用力计算提供依据。　　（2）通过详尽的理论推导，建立了完整的软体排沉排受力分析的悬链线计算模型。得到了软体排在静水中沉排时排体构型的悬链线曲线，并得到了相对移船位移与悬链线参数之间的关系，可以用于估算在静水中沉排时不同水深、不同移船距离情况下排体所受的拉力。由于悬链线计算模型是在不考虑排体拉伸变形以及动水作用力的情况下得到的，因此它仅适用于小水深情况下、静水中沉排时求取排体的大致构型以及所受拉力的估算，以作为沉排施工前期设计以及制定沉排工艺时的参考。此外，所得到的排体构型悬链线曲线，是数值分析时建立有限元模型的必要基本数据。　　（3）首次提出了软体排动水沉排力学特性的集中质量法计算模型，解决了实际软体排排体具有重量分布不均匀、有拉伸大变形、在动水中进行沉排时的力学难题，克服了目前理论的缺点和不足。编制了易于推广应用的计算机程序，使得在软体排沉排施工工程的受力分析变得简单快捷，将有力地推动软体排沉排的施工工艺的广泛应用。　　（4）探讨了有限元数值方法在软体排分析上的适用性问题。通过系列有限元实例计算分析，揭示了目前软体排沉排有限元力学性能计算实践中的问题。通过采用可模拟布结构（cloth-type structure）的非线性SHELL181单元，同时在计算手段上采用施加预应力以及合适的网格来避免膜结构大变形过程中单元出现翘曲的收敛性问题，解决了软体排这种具有特殊结构形式、具有大应变几何非线性的有限元数值模拟计算问题。　　（5）在长江航道开展了大规模的沉排工程直接实验。通过实验获得了适用于深水沉排的施工工艺参数，为制定软体排顺水沉排工艺规范提供了基础数据和技术依据。
作者：	孙峙华
专业：	道路与铁道工程
导师：	杨平
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文