分类号： TV31 学校代码： 10758密 级 ： 公开 学 号 ： 1038020092硕士学位论文带水平上室型调压井结构三维有限元静动力稳定分析Static and Dynamic Stability Analysis of the Structure of SurgeTank with Horizontal Upper Chamber Based on Three-DimensionFinite Element Method研 究 生 姓 名 张姜尚导师姓名及职称 侍克斌 教授学 位 门 类 级 别 工学硕士专 业 名 称 水利水电工程研 究 方 向 水工结构数值仿真计算所 在 学 院 水利与土木工程学院新疆乌鲁木齐二一三年六月独 创 性 声 明本 人 声 明 所 呈 交 的 论 文 是 我 个 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 及 取 得的 研 究 成 果 。 尽 我 所 知 ， 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 的 地 方 外 ， 论 文 中不 包 含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 新 疆 农 业 大学 或 其 他 教 育 单 位 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 时间： 年 月 日关 于 学 位 论 文 使 用 授 权 的 说 明本 人 完 全 了 解 新 疆 农 业 大 学 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 即 ： 新疆 农 业 大 学 有 权 保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 文档 ， 可 以 采 用 影 印 、 缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 、 汇 编 学 位 论 文 ， 允 许 论文 被 查 阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 新 疆 农 业 大 学 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ， 可 以 公 布 （ 包 括 刊 登 ） 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 。(保 密 的 学 位 论 文 在 解 密 后 应 遵 守 此 协 议 )研究生签名： 时间： 年 月 日导师签名： 时间： 年 月 日带水平上室型调压井结构三维有限元静动力稳定分析摘 要调 压 井 结 构 的 安 全 稳 定 关 系 到 整 个 水 电 站 及 引 水 系 统 的 正 常 运 行 ， 因 此 确 保 调 压 井的 安 全 是 十 分 必 要 的 。 针 对 调 压 井 结 构 的 静 动 力 稳 定 分 析 这 一 工 程 课 题 ， 在 凝 炼 相 关 研究 的 基 础 上 ， 通 过 大 型 通 用 软 件 ABAQUS 进行了三维有限元静动力分析。主要研究内容 包 括 以 下 几 个 方 面 ：（ 1） 通 过 有 限 元 软 件 ABAQUS 建 立 调 压 井 结 构 的 三 维 模 型 。 其 主 要 内 容 包 括 模 拟各 材 料 分 区 岩 体 和 混 凝 土 结 构 ， 离 散 单 元 ， 确 立 材 料 属 性 ， 定 义 边 界 条 件 和 荷 载 等 。（ 2） 对 结 构 进 行 地 应 力 平 衡 ， 并 验 证 平 衡 效 果 ， 结 果 表 明 地 应 力 平 衡 效 果 良 好 。（ 3） 对 布 仑 口 -公 格 尔 水 电 站 调 压 井 结 构 最 高 涌 水 位 工 况 下 进 行 静 力 分 析 ， 研 究 其变 形 及 力 学 特 性 ， 评 价 其 稳 定 性 ， 并 对 支 护 措 施 的 改 善 提 出 具 体 的 建 议 。（ 4）基于附加质量单元，确定地震荷载作用下的动水压力，通过建立用户单元及运 用 Fortran 语 言 编 写 相 应 的 命 令 ， 实 现 动 水 压 力 的 加 载 。（ 5）选取地震波，并根据相关规范及结构的设计指标，调整选定的地震波。（ 6） 选 取 Rayleigh 阻尼作为结构的阻尼，通过结构自振特性分析提取自振频率，计 算 选 定 阻 尼 的 相 关 参 数 。（ 7） 基 于 布 仑 口 -公 格 尔 水 电 站 调 压 井 最 高 涌 水 位 工 况 下 的 静 力 分 析 ， 进 行 结 构 在地 震 荷 载 作 用 下 的 动 力 响 应 分 析 ， 研 究 其 位 移 及 应 力 随 时 程 的 变 化 规 律 ， 评 价 结 构 的 安全 性 。关键词：调压井；衬砌；围岩；A BAQUS； 有 限 元 法 ； 位 移 ； 最 大 主 应 力 ； 地 震IStatic and Dynamic Stability Analysis of the Structure of SurgeTank Based with Horizontal Upper Chamber on Three-DimensionFinite Element MethodAbstractThe safety and stability of surge tank is related to the operation of hydropower station and waterdiversion system, therefore it is necessary to ensure the safety of surge tank. To solve the engineeringsubject which is static and dynamic stability analysis of the structure surge tank, based on related research,static and dynamic stability analysis based on three-dimension finite element method was conductedthrough the large generally used finite element software ABAQUS. The main contents include thefollowing aspects:(1) Three-dimensional model was built by ABAQUS. In the model, surrounding rock and lining weresimulated, the material properties of surrounding rock and lining were defined, boundary conditions andloads were determined, and the surrounding rock and lining were divided into finite elements.(2) Balance of crustal stress was made. And the result showed well through proving.(3) Static finite element Analysis of the surge tank of Bulunkou-Konggur hydropower station wasconducted in the highest gushing level condition. The stability of the surge tank was evaluated. Somemeasures were supported to improve the stability of the supporting structure.(4) Hydrodynamic was defined by the model of added mass and loaded through building user elementand writing a related subroutine.(5) Earthquake waves were selected and adjusted based on related specifications and designspecifications of the structure.(6) Rayleigh damping was selected and considered as the damping of structure. The relatedparameters of Rayleigh damping were calculated based on natural frequencies which were given throughnatural vibration frequency.(7) Based on Static finite element Analysis of the surge tank of Bulunkou-Konggur hydropowerstation in the highest gushing level condition, dynamic finite element Analysis was conducted. Accordingto the research of the time-history curves of displacement stress, the stability of the surge tank wasevaluated.Key words：S urge Tank; lining; surrounding rock; ABAQUS; FEM; displacement; maximum principalstress; earthquakeII目 录第 1 章 绪 论 . 11.1 选 题 的 意 义 与 目 的 . 11.2 水 电 站 调 压 井 结 构 概 述 . 21.3 调 压 井 结 构 分 析 理 论 及 方 法 研 究 现 状 . 51.4 地 下 结 构 抗 震 研 究 现 状 . 71.5 问 题 的 提 出 及 本 文 的 主 要 工 作 . 8第 2 章 有限元理论与有限元软件 .