本书总结了近四十年来水工钢闸门结构非线性分析理论与方法的研究成果，为高坝大库泄流调节咽喉的高水头大型水工钢闸门的科学设计提供理论依据。全书共十章，主要包括水工钢闸门的研究进展与发展趋势、水工钢闸门结构选型及合理布置、水工钢闸门结构有限元分析、水工钢闸门面板弹塑性分析、高水头水工钢闸门主梁非线性分析、水工弧形钢闸门主框架静力稳定性分析、水工钢闸门流固耦合作用分析、水工弧形钢闸门结构动力稳定性分析、水工钢闸门结构优化、水工钢闸门结构可靠度分析。
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第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 水工钢闸门的结构特征、应用与发展 2
1.2.1 水工钢闸门的结构特征及应用 2
1.2.2 水工钢闸门的发展 4
1.3 水工钢闸门的研究进展 6
1.4 水工钢闸门的发展趋势 17
1.5 本章小结 18
参考文献 18
第2章 水工钢闸门结构选型及合理布置 22
2.1 概述 22
2.2 水工钢闸门的分类 22
2.3 典型水工钢闸门适用性评价 27
2.4 水工钢闸门结构选型 35
2.5 水工钢闸门设计规范的结构布置方法 37
2.5.1 结构布置构造要求 37
2.5.2 平面钢闸门结构布置方法 40
2.5.3 水工弧形钢闸门结构布置方法 43
2.6 水工弧形钢闸门结构合理布置 46
2.6.1 水工弧形钢闸门结构布置研究现状 46
2.6.2 横向主梁合理悬臂端长度分析 48
2.6.3 表孔闸门纵向主梁及二支臂合理布置 49
2.6.4 潜孔闸门纵向主梁及二支臂合理布置 51
2.6.5 三支臂表孔水工弧形钢闸门合理布置 55
2.6.6 主梁合理悬臂端长度适用性论证 56
2.7 本章小结 57
参考文献 57
第3章 水工钢闸门结构有限元分析 59
3.1 概述 59
3.2 基本理论与方法 60
3.2.1 弹性力学基本理论 60
3.2.2 有限元法的基本方法 64
3.3 水工弧形钢闸门结构有限元分析 82
3.3.1 结构有限元分析前后处理 82
3.3.2 水工弧形钢闸门结构有限元分析案例 84
3.4 水工钢闸门闸坝一体化有限元分析 92
3.4.1 有限元模型 92
3.4.2 计算条件及参数 94
3.4.3 有限元结果与分析 94
3.5 水工钢闸门P型止水非线性有限元分析 97
3.5.1 P型止水的非线性分析内容 97
3.5.2 力学模型简化 98
3.6 本章小结 100
参考文献 101
第4章 水工钢闸门面板弹塑性分析 102
4.1 概述 102
4.2 水工钢闸门面板与主梁协同工作机制 102
4.2.1 面板与主梁协同工作的试验 102
4.2.2 面板参与主梁整体工作机制 106
4.3 弹性薄板小挠度理论 110
4.4 弹性薄板大挠度理论 119
4.5 薄板的塑性极限分析 123
4.6 基于小挠度理论的面板弹塑性极限荷载 126
4.6.1 薄板弹性极限荷载 126
4.6.2 薄板塑性极限荷载 128
4.7 基于大挠度理论的面板弹塑性极限荷载 129
4.7.1 大挠度理论面板弹性极限荷载 129
4.7.2 大挠度理论面板塑性极限荷载 130
4.8 水工钢闸门面板弹塑性调整系数 133
4.8.1 基于非线性理论确定面板弹塑性调整系数 133
4.8.2 基于现行规范屈服状态的面板弹塑性调整系数 135
4.9 水工钢闸门面板厚度计算方法探讨 140
4.10 本章小结 141
参考文献 142
第5章 高水头水工钢闸门主梁非线性分析 143
5.1 概述 143
5.2 细长梁理论 144
5.2.1 纯弯曲时梁横截面上的正应力分析 144
5.2.2 梁的位移分析 148
5.3 基于铁摩辛柯梁理论的水工钢闸门主梁应力及变形计算 150
5.3.1 铁摩辛柯梁理论 150
5.3.2 工字形组合梁横力弯曲微分方程 153
5.3.3 深孔水工平面钢闸门简支主梁横力弯曲正应力及挠度计算 155
5.3.4 深孔水工弧形钢闸门双悬臂主梁横力弯曲正应力及挠度计算 157
5.3.5 应用实例 160
5.4 基于弹性力学理论的水工钢闸门主梁应力及变形计算 161
5.4.1 矩形梁的纯弯曲 161
5.4.2 矩形梁的横力弯曲 163
5.4.3 均布荷载作用下主梁的应力与变形 167
5.4.4 集中荷载作用下主梁的应力 172
5.5 考虑全截面剪滞的水工钢闸门主梁应力计算 179
5.5.1 弯曲正应力解析计算方法 180
5.5.2 主梁非线性分析与传统分析方法的对比 182
5.6 本章小结 184
参考文献 185
第6章 水工弧形钢闸门主框架静力稳定性分析 187
6.1 概述 187
6.2 水工弧形钢闸门主框架的静力稳定性 188
6.2.1 静力稳定性分析理论 188
6.2.2 计算假定及计算模型 197
6.3 水工弧形钢闸门横向框架静力稳定性分析 200
6.3.1 主横梁式门式框架静力稳定性分析 200
6.3.2 水工弧形钢闸门主框架柱的计算长度系数 204
6.3.3 主横梁式梯形框架静力稳定性数值分析 208
6.4 水工弧形钢闸门纵向框架静力稳定性分析 209
6.4.1 多层三角形框架静力稳定性分析 209
6.4.2 纵向框架稳定性的二阶分析方法 212
6.5 水工弧形钢闸门树状支臂结构静力稳定性分析 214
6.5.1 树状支臂静力稳定性分析模型与屈曲模态 215
6.5.2 树状支臂静力稳定性分析 218
6.5.3 树状支臂临界荷载分析 222
6.5.4 有限元分析及工程案例 226
6.6 本章小结 233
参考文献 234
第7章 水工钢闸门流固耦合作用分析 236
7.1 概述 236
7.2 基本理论与方法 238
7.2.1 流固耦合基本理论方法及控制方程 238
7.2.2 数值分析方法 244
7.2.3 水工钢闸门流固耦合分析的基本步骤 246
7.3 二维闸后水跃数值模拟 247
7.3.1 水跃数值模拟 248
7.3.2 模型验证 251
7.3.3 底缘结构型式对闸后水跃影响的模拟分析 253
7.4 水流-闸门流固耦合数值模拟实例分析 256
7.4.1 基本资料 256
7.4.2 计算模型 258
7.4.3 结果分析 260
7.4.4 底缘型式对闸门自振特性的影响 263
7.4.5 深孔水工钢闸门泄流水动力结构响应 269
7.5 本章小结 276
参考文献 277
第8章 水工弧形钢闸门结构动力稳定性分析 279
8.1 概述 279
8.2 结构动力稳定性理论与分析方法 281
8.2.1 结构动力稳定性理论 282
8.2.2 结构动力稳定性分析方法 286
8.3 水工弧形钢闸门主框架动力稳定性分析 294
8.3.1 水工弧形钢闸门结构动力不稳定区域的确定 294
8.3.2 水工弧形钢闸门框架结构动力稳定性分析的有限元法 297
8.3.3 高水头水工弧形钢闸门空间框架的动力稳定性分析 309
8.4 水工弧形钢闸门树状支臂动力稳定性分析 314
8.4.1 水工弧形钢闸门支臂动能与势能 315
8.4.2 水工弧形钢闸门支臂动力不稳定区域的确定 316
8.4.3 水工弧形钢闸门树状支臂设计参数的影响 319
8.4.4 工程算例分析 321
8.5 水工弧形钢闸门减振控制系统 323
8.5.1 水工弧形钢闸门振动控制方程 324
8.5.2 水工弧形钢闸门-MTMD振动控制优化设计方法 325
8.5.3 水工弧形钢闸门振动控制减振效果 330
8.6 本章小结 331
参考文献 332
第9章 水工钢闸门结构优化 334
9.1 概述 334
9.2 拓扑优化法简介 336
9.2.1 常见的拓扑优化模型 336
9.2.2 拓扑优化数学模型 337
9.2.3 拓扑优化设计方法 339
9.3 水工弧形钢闸门拓扑优化 347
9.3.1 考虑强度和刚度的水工弧形钢闸门拓扑优化 347
9.3.2 轻型稳定树状支臂结构树形优化分析 349
9.3.3 考虑支臂结构稳定的水工弧形钢闸门拓扑优化 351
9.4 水工弧形钢闸门结构优化设计 356
9.4.1 水工弧形钢闸门空间框架优化模型 356
9.4.2 水工弧形钢闸门空间框架合理布置优化 361
9.4.3 表孔水工弧形钢闸门的尺寸优化 363
9.5 水工弧形钢闸门主横梁与支臂单位刚度比优化 364
9.5.1 单位刚度比与主框架经济性的关系 365
9.5.2 优化研究结果 366
9.6 本章小结 368
参考文献 369
第10章 水工钢闸门结构可靠度分析 371
10.1 概述 371
10.2 结构可靠度分析基本方法 375
10.2.1 结构的功能要求与结构功能函数 375
10.2.2 结构极限荷载 375
10.2.3 结构可靠度 376
10.2.4 结构可靠指标 377
10.2.5 结构可靠度计算方法 378
10.2.6 结构体系可靠度 383
10.3 水工钢闸门结构体系可靠度分析基本内容 385
10.3.1 荷载统计参数分析及自重荷载效应 385
10.3.2 抗力统计参数分析 387
10.3.3 闸门结构体系及构件可靠度分析 387
10.4 水工钢闸门面板可靠度分析 388
10.4.1 极限状态方程的建立 388
10.4.2 基本统计数据 389
10.4.3 闸门面板可靠指标校准分析 391
10.5 水工平面钢闸门主梁的可靠度分析 393
10.5.1 结构计算 394
10.5.2 弹性固定支座合理转角的确定 396
10.5.3 可靠度分析 397
10.6 水工弧形钢闸门平面框架可靠度分析 401
10.6.1 主框架分析模型 401
10.6.2 平面框架可靠指标计算方法 403
10.6.3 实例分析 404
10.7 水工弧形钢闸门空间框架体系可靠度分析 404
10.7.1 空间框架体系模型 404
10.7.2 空间框架体系可靠度计算方法 405
10.7.3 实例分析 406
10.8 本章小结 409
参考文献 410
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