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水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法(精)

包郵 水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法(精)

作者：王正中
出版社：科學(xué)出版社出版時(shí)間：2022-08-01
開(kāi)本： 16開(kāi) 頁(yè)數(shù)： 412
中 圖 價(jià):¥235.4(7.9折) 定價(jià)  ¥298.0 登錄后可看到會(huì)員價(jià)
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水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法(精) 版權(quán)信息

  • ISBN：9787030710260
  • 條形碼：9787030710260 ; 978-7-03-071026-0
  • 裝幀：一般膠版紙
  • 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
  • 重量：暫無(wú)
  • 所屬分類(lèi)：>

水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法(精) 內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書(shū)總結(jié)了近四十年來(lái)水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法的研究成果，為高壩大庫(kù)泄流調(diào)節(jié)咽喉的高水頭大型水工鋼閘門(mén)的科學(xué)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。全書(shū)共十章，主要包括水工鋼閘門(mén)的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)、水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)選型及合理布置、水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元分析、水工鋼閘門(mén)面板彈塑性分析、高水頭水工鋼閘門(mén)主梁非線性分析、水工弧形鋼閘門(mén)主框架靜力穩(wěn)定性分析、水工鋼閘門(mén)流固耦合作用分析、水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性分析、水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)可靠度分析。 本書(shū)可供水工結(jié)構(gòu)工程、工程力學(xué)等專(zhuān)業(yè)科研人員及水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考，也可供高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生閱讀參考。

水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法(精) 目錄

目錄
前言
第1章　緒論　1　
1.1　研究背景　1　
1.2　水工鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)用與發(fā)展　2　
1.2.1　水工鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)用　2　
1.2.2　水工鋼閘門(mén)的發(fā)展　4　
1.3　水工鋼閘門(mén)的研究進(jìn)展　6　
1.4　水工鋼閘門(mén)的發(fā)展趨勢(shì)　17　
1.5　本章小結(jié)　18
參考文獻(xiàn)　18　
第2章　水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)選型及合理布置　22　
2.1　概述　22　
2.2　水工鋼閘門(mén)的分類(lèi)　22　
2.3　典型水工鋼閘門(mén)適用性評(píng)價(jià)　27　
2.4　水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)選型　35　
2.5　水工鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范的結(jié)構(gòu)布置方法　37　
2.5.1　結(jié)構(gòu)布置構(gòu)造要求　37　
2.5.2　平面鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)布置方法　40　
2.5.3　水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)布置方法　43　
2.6　水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)合理布置　46　
2.6.1　水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)布置研究現(xiàn)狀　46　
2.6.2　橫向主梁合理懸臂端長(zhǎng)度分析　48　
2.6.3　表孔閘門(mén)縱向主梁及二支臂合理布置　49　
2.6.4　潛孔閘門(mén)縱向主梁及二支臂合理布置　51　
2.6.5　三支臂表孔水工弧形鋼閘門(mén)合理布置　55　
2.6.6　主梁合理懸臂端長(zhǎng)度適用性論證　56　
2.7　本章小結(jié)　57
參考文獻(xiàn)　57　
第3章　水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元分析　59　
3.1　概述　59　
3.2　基本理論與方法　60　
3.2.1　彈性力學(xué)基本理論　60　
3.2.2　有限元法的基本方法　64　
3.3　水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元分析　82　
3.3.1　結(jié)構(gòu)有限元分析前后處理　82　
3.3.2　水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元分析案例　84　
3.4　水工鋼閘門(mén)閘壩一體化有限元分析　92　
3.4.1　有限元模型　92　
3.4.2　計(jì)算條件及參數(shù)　94　
3.4.3　有限元結(jié)果與分析　94　
3.5　水工鋼閘門(mén)P型止水非線性有限元分析　97　
3.5.1　P型止水的非線性分析內(nèi)容　97　
3.5.2　力學(xué)模型簡(jiǎn)化　98　
3.6　本章小結(jié)　100
參考文獻(xiàn)　101　
第4章　水工鋼閘門(mén)面板彈塑性分析　102　
4.1　概述　102　
4.2　水工鋼閘門(mén)面板與主梁協(xié)同工作機(jī)制　102　
4.2.1　面板與主梁協(xié)同工作的試驗(yàn)　102　
4.2.2　面板參與主梁整體工作機(jī)制　106　
4.3　彈性薄板小撓度理論　110　
4.4　彈性薄板大撓度理論　119　
4.5　薄板的塑性極限分析　123　
4.6　基于小撓度理論的面板彈塑性極限荷載　126　
4.6.1　薄板彈性極限荷載　126　
4.6.2　薄板塑性極限荷載　128　
4.7　基于大撓度理論的面板彈塑性極限荷載　129　
4.7.1　大撓度理論面板彈性極限荷載　129　
4.7.2　大撓度理論面板塑性極限荷載　130　
4.8　水工鋼閘門(mén)面板彈塑性調(diào)整系數(shù)　133　
4.8.1　基于非線性理論確定面板彈塑性調(diào)整系數(shù)　133　
4.8.2　基于現(xiàn)行規(guī)范屈服狀態(tài)的面板彈塑性調(diào)整系數(shù)　135　
4.9　水工鋼閘門(mén)面板厚度計(jì)算方法探討　140　
4.10　本章小結(jié)　141
參考文獻(xiàn)　142　
第5章　高水頭水工鋼閘門(mén)主梁非線性分析　143　
5.1　概述　143　
5.2　細(xì)長(zhǎng)梁理論　144　
5.2.1　純彎曲時(shí)梁橫截面上的正應(yīng)力分析　144　
5.2.2　梁的位移分析　148　
5.3　基于鐵摩辛柯梁理論的水工鋼閘門(mén)主梁應(yīng)力及變形計(jì)算　150　
5.3.1　鐵摩辛柯梁理論　150　
5.3.2　工字形組合梁橫力彎曲微分方程　153　
5.3.3　深孔水工平面鋼閘門(mén)簡(jiǎn)支主梁橫力彎曲正應(yīng)力及撓度計(jì)算　155　
5.3.4　深孔水工弧形鋼閘門(mén)雙懸臂主梁橫力彎曲正應(yīng)力及撓度計(jì)算　157　
5.3.5　應(yīng)用實(shí)例　160　
5.4　基于彈性力學(xué)理論的水工鋼閘門(mén)主梁應(yīng)力及變形計(jì)算　161　
5.4.1　矩形梁的純彎曲　161　
5.4.2　矩形梁的橫力彎曲　163　
5.4.3　均布荷載作用下主梁的應(yīng)力與變形　167　
5.4.4　集中荷載作用下主梁的應(yīng)力　172　
5.5　考慮全截面剪滯的水工鋼閘門(mén)主梁應(yīng)力計(jì)算　179　
5.5.1　彎曲正應(yīng)力解析計(jì)算方法　180　
5.5.2　主梁非線性分析與傳統(tǒng)分析方法的對(duì)比　182　
5.6　本章小結(jié)　184
參考文獻(xiàn)　185　
第6章　水工弧形鋼閘門(mén)主框架靜力穩(wěn)定性分析　187　
6.1　概述　187　
6.2　水工弧形鋼閘門(mén)主框架的靜力穩(wěn)定性　188　
6.2.1　靜力穩(wěn)定性分析理論　188　
6.2.2　計(jì)算假定及計(jì)算模型　197　
6.3　水工弧形鋼閘門(mén)橫向框架靜力穩(wěn)定性分析　200　
6.3.1　主橫梁式門(mén)式框架靜力穩(wěn)定性分析　200　
6.3.2　水工弧形鋼閘門(mén)主框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)　204　
6.3.3　主橫梁式梯形框架靜力穩(wěn)定性數(shù)值分析　208　
6.4　水工弧形鋼閘門(mén)縱向框架靜力穩(wěn)定性分析　209　
6.4.1　多層三角形框架靜力穩(wěn)定性分析　209　
6.4.2　縱向框架穩(wěn)定性的二階分析方法　212　
6.5　水工弧形鋼閘門(mén)樹(shù)狀支臂結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性分析　214　
6.5.1　樹(shù)狀支臂靜力穩(wěn)定性分析模型與屈曲模態(tài)　215　
6.5.2　樹(shù)狀支臂靜力穩(wěn)定性分析　218　
6.5.3　樹(shù)狀支臂臨界荷載分析　222　
6.5.4　有限元分析及工程案例　226　
6.6　本章小結(jié)　233
參考文獻(xiàn)　234　
第7章　水工鋼閘門(mén)流固耦合作用分析　236　
7.1　概述　236　
7.2　基本理論與方法　238　
7.2.1　流固耦合基本理論方法及控制方程　238　
7.2.2　數(shù)值分析方法　244　
7.2.3　水工鋼閘門(mén)流固耦合分析的基本步驟　246　
7.3　二維閘后水躍數(shù)值模擬　247　
7.3.1　水躍數(shù)值模擬　248　
7.3.2　模型驗(yàn)證　251　
7.3.3　底緣結(jié)構(gòu)型式對(duì)閘后水躍影響的模擬分析　253　
7.4　水流-閘門(mén)流固耦合數(shù)值模擬實(shí)例分析　256　
7.4.1　基本資料　256　
7.4.2　計(jì)算模型　258　
7.4.3　結(jié)果分析　260　
7.4.4　底緣型式對(duì)閘門(mén)自振特性的影響　263　
7.4.5　深孔水工鋼閘門(mén)泄流水動(dòng)力結(jié)構(gòu)響應(yīng)　269　
7.5　本章小結(jié)　276
參考文獻(xiàn)　277　
第8章　水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性分析　279　
8.1　概述　279　
8.2　結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性理論與分析方法　281　
8.2.1　結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性理論　282　
8.2.2　結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性分析方法　286　
8.3　水工弧形鋼閘門(mén)主框架動(dòng)力穩(wěn)定性分析　294　
8.3.1　水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)域的確定　294　
8.3.2　水工弧形鋼閘門(mén)框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性分析的有限元法　297　
8.3.3　高水頭水工弧形鋼閘門(mén)空間框架的動(dòng)力穩(wěn)定性分析　309　
8.4　水工弧形鋼閘門(mén)樹(shù)狀支臂動(dòng)力穩(wěn)定性分析　314　
8.4.1　水工弧形鋼閘門(mén)支臂動(dòng)能與勢(shì)能　315　
8.4.2　水工弧形鋼閘門(mén)支臂動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)域的確定　316　
8.4.3　水工弧形鋼閘門(mén)樹(shù)狀支臂設(shè)計(jì)參數(shù)的影響　319　
8.4.4　工程算例分析　321　
8.5　水工弧形鋼閘門(mén)減振控制系統(tǒng)　323　
8.5.1　水工弧形鋼閘門(mén)振動(dòng)控制方程　324　
8.5.2　水工弧形鋼閘門(mén)-MTMD振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方法　325　
8.5.3　水工弧形鋼閘門(mén)振動(dòng)控制減振效果　330　
8.6　本章小結(jié)　331
參考文獻(xiàn)　332　
第9章　水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化　334　
9.1　概述　334　
9.2　拓?fù)鋬?yōu)化法簡(jiǎn)介　　336　
9.2.1　常見(jiàn)的拓?fù)鋬?yōu)化模型　336　
9.2.2　拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型　337　
9.2.3　拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法　339　
9.3　水工弧形鋼閘門(mén)拓?fù)鋬?yōu)化　347　
9.3.1　考慮強(qiáng)度和剛度的水工弧形鋼閘門(mén)拓?fù)鋬?yōu)化　347　
9.3.2　輕型穩(wěn)定樹(shù)狀支臂結(jié)構(gòu)樹(shù)形優(yōu)化分析　349　
9.3.3　考慮支臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的水工弧形鋼閘門(mén)拓?fù)鋬?yōu)化　351　
9.4　水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)　356　
9.4.1　水工弧形鋼閘門(mén)空間框架優(yōu)化模型　356　
9.4.2　水工弧形鋼閘門(mén)空間框架合理布置優(yōu)化　361　
9.4.3　表孔水工弧形鋼閘門(mén)的尺寸優(yōu)化　363　
9.5　水工弧形鋼閘門(mén)主橫梁與支臂單位剛度比優(yōu)化　364　
9.5.1　單位剛度比與主框架經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系　365　
9.5.2　優(yōu)化研究結(jié)果　366　
9.6　本章小結(jié)　368
參考文獻(xiàn)　369　
第10章　水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)可靠度分析　371　
10.1　概述　371　
10.2　結(jié)構(gòu)可靠度分析基本方法　375　
10.2.1　結(jié)構(gòu)的功能要求與結(jié)構(gòu)功能函數(shù)　375　
10.2.2　結(jié)構(gòu)極限荷載　375　
10.2.3　結(jié)構(gòu)可靠度　376　
10.2.4　結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)　377　
10.2.5　結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法　378　
10.2.6　結(jié)構(gòu)體系可靠度　383　
10.3　水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)體系可靠度分析基本內(nèi)容　385　
10.3.1　荷載統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析及自重荷載效應(yīng)　385　
10.3.2　抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析　387　
10.3.3　閘門(mén)結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件可靠度分析　387　
10.4　水工鋼閘門(mén)面板可靠度分析　388　
10.4.1　極限狀態(tài)方程的建立　388　
10.4.2　基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)　389　
10.4.3　閘門(mén)面板可靠指標(biāo)校準(zhǔn)分析　391　
10.5　水工平面鋼閘門(mén)主梁的可靠度分析　393　
10.5.1　結(jié)構(gòu)計(jì)算　394　
10.5.2　彈性固定支座合理轉(zhuǎn)角的確定　396　
10.5.3　可靠度分析　397　
10.6　水工弧形鋼閘門(mén)平面框架可靠度分析　401　
10.6.1　主框架分析模型　401　
10.6.2　平面框架可靠指標(biāo)計(jì)算方法　403　
10.6.3　實(shí)例分析　404　
10.7　水工弧形鋼閘門(mén)空間框架體系可靠度分析　404　
10.7.1　空間框架體系模型　404　
10.7.2　空間框架體系可靠度計(jì)算方法　405　
10.7.3　實(shí)例分析　406　
10.8　本章小結(jié)　409
參考文獻(xiàn)　410
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水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法(精) 節(jié)選

第1章緒論 大壩是水利工程中防洪、灌溉及水力發(fā)電所必需的重要擋水建筑物。水工鋼閘門(mén)對(duì)水流進(jìn)行調(diào)控，使大壩實(shí)現(xiàn)功能化運(yùn)行，達(dá)到工程建設(shè)的目的與需求。本章主要介紹國(guó)內(nèi)外水工鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)用、設(shè)計(jì)理論與分析方法的研究現(xiàn)狀、仍需解決的科學(xué)問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。 1.1研究背景 建設(shè)水利水電樞紐通常具有發(fā)電、防洪、航運(yùn)、供水、灌溉、旅游等多種效益，大力發(fā)展水利水電在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中具有十分重要的戰(zhàn)略意義。發(fā)展水利水電可滿足能源增長(zhǎng)和改善能源結(jié)構(gòu)的需求，可促進(jìn)我國(guó)中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)脫貧的目標(biāo)。我國(guó)水資源及水能資源分布不均，西北地區(qū)水資源極度缺乏，而西部地區(qū)水電資源豐富，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)不匹配。加快西部水資源及水電開(kāi)發(fā)不僅能西電東送，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，還能把西部資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，加快中西部地區(qū)的發(fā)展。水電作為可再生清潔能源，具有巨大的環(huán)保效益，具有防治污染和改善生態(tài)環(huán)境的作用。目前，我國(guó)的環(huán)境容量有限，尤其是沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，大力促進(jìn)水電開(kāi)發(fā)可以有效防治大氣和環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境，滿足我國(guó)全面建成小康社會(huì)、提高人民生活水平和質(zhì)量的需要。發(fā)展水電是防洪減災(zāi)和優(yōu)化水資源配置的要求。隨著各大江河“龍頭”水電站和調(diào)節(jié)性能強(qiáng)的大中型水電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全面控制和調(diào)節(jié)流域洪水，對(duì)保證下游經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的防洪安全具有重要作用。另外，水能資源開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)資源性缺水地區(qū)水資源的優(yōu)化配置，改善地域性水資源分布不均衡的狀況，有力地支持地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。作為風(fēng)-光-水電多能源互補(bǔ)系統(tǒng)的高壩大庫(kù)大型水工樞紐調(diào)節(jié)咽喉的水工鋼閘門(mén)，其安全靈活地運(yùn)行決定著工程效益的發(fā)揮及整個(gè)樞紐工程和下游人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。水工鋼閘門(mén)是水工樞紐的重要組成部分，在水工建筑物總造價(jià)中一般占10%～30%，在江河治理工程總造價(jià)中甚至占50%以上[1]。 水工閘門(mén)具有悠久的應(yīng)用與發(fā)展歷史。明代河工專(zhuān)家潘季馴的著作《河防一覽》中有對(duì)水工閘門(mén)的記載。14世紀(jì)末，荷蘭人將起落式閘門(mén)進(jìn)行推廣，實(shí)現(xiàn)船只通航。1853年，坐落于巴黎塞納河上的四扇閘門(mén)（寬8.75m×高1.0m）是*早應(yīng)用的弧形閘門(mén)。泰恩特（Tainter）在1886年發(fā)明了三曲桿式的木質(zhì)弧形閘門(mén)，此后相關(guān)研究學(xué)者均將弧形閘門(mén)稱(chēng)為“Taintergate”。1860年，埃及北部的羅塞塔壩和杜姆亞特壩上安裝了若干“圓筒閘門(mén)”。1910年，新型反轉(zhuǎn)弧形閘門(mén)的設(shè)計(jì)被提出。第二次世界大戰(zhàn)以后，各國(guó)政府為發(fā)展經(jīng)濟(jì)，開(kāi)始大規(guī)模興建水利工程。其中，具有代表性的是聯(lián)邦德國(guó)在流經(jīng)巴伐利亞州的伊薩爾河上興建了許多水利工程；我國(guó)在黃河、長(zhǎng)江干支流等興建了一大批水利樞紐，如烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩等大型水利水電樞紐，其工作閘門(mén)和事故閘門(mén)都達(dá)到了較大尺寸。此后，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)進(jìn)步，圍繞城市生態(tài)治理和沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新型閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)入了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的階段，出現(xiàn)了型式多樣的各類(lèi)閘門(mén)，如1960年建造于荷蘭萊茵河上的護(hù)目鏡閘門(mén)；1984年坐落于倫敦的泰晤士河水閘；1997年，兩扇平面轉(zhuǎn)動(dòng)式水工弧形鋼閘門(mén)在荷蘭馬斯朗特成功建成；2006年，浙江省曹娥江采用雙拱空間管桁水工平面鋼閘門(mén)作為河口擋潮閘；2013年，浙江省寧波市奉化區(qū)象山港避風(fēng)錨地采用管桁式三角閘門(mén)作為通航船閘。大跨度、高水頭、造型新穎的閘門(mén)結(jié)構(gòu)逐漸成為未來(lái)閘門(mén)的發(fā)展趨勢(shì)。 隨著高壩大庫(kù)及“一帶一路”沿線國(guó)家水利水電工程的建設(shè)與發(fā)展，一方面水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)正向著高水頭、大孔口、大泄量的大型化和輕型化方向發(fā)展，特別是天生橋一級(jí)、水口、五強(qiáng)溪等水電站大型三支臂弧形鋼閘門(mén)的建設(shè)，說(shuō)明大型新型水工弧形鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)分析方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法正不斷發(fā)展；另一方面，閘門(mén)在風(fēng)-光-水電能互補(bǔ)中的啟閉越加頻繁，再按現(xiàn)行平面體系法和線性理論對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，已不能滿足閘門(mén)的設(shè)計(jì)需求。本書(shū)在總結(jié)前人及王正中團(tuán)隊(duì)研究成果的基礎(chǔ)之上，對(duì)高水頭大泄量頻啟閉閘門(mén)的空間體系法和非線性理論進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)凝練，對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定、動(dòng)力穩(wěn)定及考慮流固耦合作用的振動(dòng)問(wèn)題，提出非線性分析理論和求解方法，同時(shí)指出未來(lái)水工鋼閘門(mén)的發(fā)展方向。 1.2水工鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)用與發(fā)展 1.2.1水工鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)用 水工鋼閘門(mén)作為一種活動(dòng)的擋水結(jié)構(gòu)，是泄水和引水等建筑物的主要組成部分，安裝于進(jìn)水口溢流壩、溢洪道、泄水孔、水工隧洞和水閘等建筑物的孔口上，用以調(diào)節(jié)流量，控制上、下游水位，宣泄洪水，排除泥沙或漂浮物等，從而起到控制、運(yùn)用水流和保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的作用。 1.水工平面鋼閘門(mén) 水工平面鋼閘門(mén)是水利工程中應(yīng)用比較廣泛的一種，應(yīng)用效果也得到了業(yè)界肯定（圖1-1）。水工平面鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，安全可靠，能滿足各種類(lèi)型泄水孔道的需要，具有以下優(yōu)點(diǎn)。**，可封閉相當(dāng)大面積的孔口，順流方向建筑物的尺寸較小；第二，直升式平面閘門(mén)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，閘室比較短，維護(hù)方便；第三，門(mén)葉可移出孔口，便于檢修維護(hù)，門(mén)葉可在孔口間互換，因此孔口較多時(shí)可兼作其他孔口的事故門(mén)或檢修門(mén)。但是，高水頭平面事故閘門(mén)動(dòng)水啟閉時(shí)易產(chǎn)生爬行振動(dòng)，閉門(mén)困難。 2.水工弧形鋼閘門(mén) 水工弧形鋼閘門(mén)的承重結(jié)構(gòu)由弧形面板、主梁、支臂和支鉸組成（圖1-2）。水工弧形鋼閘門(mén)面板形成了一個(gè)圓弧狀，其支鉸中心和弧形面板共用一個(gè)圓心。一般情況下水工弧形鋼閘門(mén)支鉸的高度約為閘門(mén)高度的三分之二。水工弧形鋼閘門(mén)早期應(yīng)用在尼羅河壩，閘門(mén)壁受到牽引的作用，設(shè)計(jì)者將其命名為“半徑在牽引作用下的圓筒閘門(mén)”。水工弧形鋼閘門(mén)的主要優(yōu)點(diǎn)有所需啟閉力較小、沒(méi)有影響水流流態(tài)的門(mén)槽、水流平順、工作橋排架高度和閘墩厚度較小、局部開(kāi)啟條件好、埋設(shè)件數(shù)量少；但也存在一些缺點(diǎn)，如所需閘墩較長(zhǎng)或閘門(mén)井尺寸較大，不能移出孔口以外進(jìn)行檢修和維護(hù)，也不能在孔口間互換，閘門(mén)承受的總水壓力集中于支座處，對(duì)土建結(jié)構(gòu)受力不利。 3.人字閘門(mén) 人字閘門(mén)是由兩扇門(mén)組成的旋轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)閘門(mén)，非常適合運(yùn)用于航運(yùn)工程中（圖1-3）。人字閘門(mén)的門(mén)底和門(mén)體下部都在水中運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)人字閘門(mén)進(jìn)行維修時(shí)也能排水，因此啟動(dòng)運(yùn)行的時(shí)候只能在靜水中，關(guān)閉時(shí)也只能在靜水中進(jìn)行。如果人字閘門(mén)內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題，維修起來(lái)非常困難，位于水下的檢修尤為困難。人字閘門(mén)不能在流動(dòng)的水中進(jìn)行有效操作，這是因?yàn)樗目古つ芰苄　?duì)于大孔口船閘，人字閘門(mén)節(jié)省材料，并且在運(yùn)行的過(guò)程中非常靈敏。由此可見(jiàn)，人字閘門(mén)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)都比較明顯，優(yōu)勢(shì)在于適合通航，劣勢(shì)在于維修困難。 1.2.2水工鋼閘門(mén)的發(fā)展 水工鋼閘門(mén)是水工建筑物的重要組成部分之一，其作用是封閉水工建筑物的孔口，并能按需要局部或全部開(kāi)啟，以調(diào)節(jié)上下游水位、泄放流量，實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行、通航及其他控制功能。閘門(mén)在水工建筑物總造價(jià)中所占的比重很大，一般占10%～30%，在某些工程上可達(dá)到50%[1]，因此無(wú)論從安全性還是經(jīng)濟(jì)性方面，閘門(mén)的科學(xué)設(shè)計(jì)都是一項(xiàng)十分重要的工作。 黨的十八大以來(lái)，在“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的新發(fā)展理念指引下，我國(guó)水利水電發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的指導(dǎo)思想中強(qiáng)調(diào)，“把發(fā)展水電作為能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、確保能源安全、促進(jìn)貧困地區(qū)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要戰(zhàn)略舉措”。為更好地解決我國(guó)水資源的供需矛盾和水旱災(zāi)害問(wèn)題，發(fā)揮蘊(yùn)藏水能資源潛力，完成能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革，推動(dòng)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)，保證高壩大庫(kù)的穩(wěn)定運(yùn)行與高質(zhì)量建設(shè)具有重要意義。目前，已建成或在建的水利工程有規(guī)模宏大的葛洲壩水利樞紐工程（1988，括號(hào)內(nèi)為工程建成時(shí)間，后同）、黃河龍羊峽水電站樞紐工程（1989）、天生橋水電站（1998）、小浪底水利樞紐工程（2001）、長(zhǎng)江三峽水利工程（2006）、水布埡水利樞紐工程（2009）、小灣水電站（2010）、向家壩水電站（2014）、溪洛渡水電站（2015）和白鶴灘水電站（2022）等[2]，其中作為調(diào)節(jié)咽喉的閘門(mén)起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)閘門(mén)的靈活啟閉，可以對(duì)水庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，滿足防洪、發(fā)電和水資源調(diào)配的需要，有效發(fā)揮工程效益，并且閘門(mén)安全在很大程度上決定了整個(gè)樞紐和下游人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。 隨著水利水電事業(yè)的快速發(fā)展，截至2019年，我國(guó)已建各種水庫(kù)超過(guò)9.81萬(wàn)座，總庫(kù)容8983億m3，已建或在建高度200m以上的超高壩20余座，其中300m級(jí)的大壩2座，我國(guó)已成為全球水庫(kù)大壩*多的國(guó)家[3-4]。隨著高壩大庫(kù)的不斷興建和金屬結(jié)構(gòu)制造水平的不斷提高，水利樞紐向著高水頭、大孔口、大泄量的方向發(fā)展，水工鋼閘門(mén)承受的荷載、結(jié)構(gòu)尺寸和自重越來(lái)越大，如世界*大孔口尺寸（63m×17.5m）的布里亞水電站水工弧形鋼閘門(mén)[5]，世界*大自重（1295t）的大藤峽水利樞紐船閘人字閘門(mén)，世界*高水頭（181m）的英古里水工弧形鋼閘門(mén)，世界*大跨度（360m）的鹿特丹新水道擋潮閘門(mén)。 一般規(guī)定水工鋼閘門(mén)門(mén)葉面積與水頭乘積在1000～5000m3的閘門(mén)為大型水工鋼閘門(mén)，超過(guò)5000m3的為超大型水工鋼閘門(mén)[6]。表1-1為部分世界大型及高水頭閘門(mén)的基本情況（按閘門(mén)受到的總水推力從大到小排序），表1-2為我國(guó)大型及高水頭閘門(mén)的基本情況（按閘門(mén)受到的總水推力從大到小排序），其中絕大多數(shù)位于我國(guó)的西南地區(qū)。 隨著高壩大庫(kù)和大型水利工程的建設(shè)，對(duì)水工鋼閘門(mén)的要求也不斷提高，主要表現(xiàn)在孔口面積、工作水頭和總水壓力的不斷提高。常規(guī)的閘門(mén)線性設(shè)計(jì)理論與分析方法已不能滿足這類(lèi)大型水工鋼閘門(mén)的設(shè)計(jì)需求，需要發(fā)展與大型水工鋼閘門(mén)相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法。實(shí)際上，工程結(jié)構(gòu)的非線性問(wèn)題早在19世紀(jì)中葉就引起學(xué)者的關(guān)注，經(jīng)過(guò)幾代科學(xué)家多年的不斷研究、攻克難關(guān)，特別是20世紀(jì)60年代以來(lái)有限元法等數(shù)值模擬方法的產(chǎn)生和發(fā)展，以及高速大容量電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世與普及，為非線性問(wèn)題的解決提供了必要的計(jì)算手段和計(jì)算工具，促使結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法在水工鋼閘門(mén)中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。 1.3水工鋼閘門(mén)的研究進(jìn)展 從安全靈活運(yùn)行出發(fā)，確保水工鋼閘門(mén)的輕型和穩(wěn)定，始終是業(yè)界的追求目標(biāo)。新材料與新技術(shù)層出不窮，為閘門(mén)設(shè)計(jì)制造與運(yùn)行中的不少難題提供了解決思路，但不少老問(wèn)題尚未徹底解決。隨著高壩大庫(kù)和生態(tài)水利的不斷發(fā)展，新的難題也不斷涌現(xiàn)。例如，高強(qiáng)鋼和超強(qiáng)鋼的出現(xiàn)和應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)水工鋼閘門(mén)的輕型化，但又易引起結(jié)構(gòu)的局部或整體穩(wěn)定問(wèn)題，仿生結(jié)構(gòu)在閘門(mén)中的應(yīng)用又可能引起構(gòu)件的連接問(wèn)題。目前，大型水工鋼閘門(mén)發(fā)展需要圍繞以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵科技問(wèn)題開(kāi)展研究：大型水工鋼閘門(mén)的深梁、厚板、大剛度框架結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)、靜力分析理論與方法；基于空間結(jié)構(gòu)體系可靠度的閘門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；典型工況下大型水工弧形鋼閘門(mén)空間框架結(jié)構(gòu)的合理布置；流激振動(dòng)作用下水工弧形鋼閘門(mén)空間框架動(dòng)力穩(wěn)定性及振動(dòng)控制；嚴(yán)寒環(huán)境下水工鋼閘門(mén)低溫低周疲勞斷裂破壞機(jī)理，輕型穩(wěn)定仿生樹(shù)狀水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新；生態(tài)景觀特大型水工鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)流固耦合及水力優(yōu)化；全生命周期的水工鋼閘門(mén)安全診斷與智能監(jiān)測(cè)；超強(qiáng)鋼材料、鑄鋼節(jié)點(diǎn)及新膠焊連接等新技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究應(yīng)用等。 1.水工鋼閘門(mén)的分析方法 水工鋼閘門(mén)的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要全方位、多方面的考慮，*終保證設(shè)計(jì)的閘門(mén)結(jié)構(gòu)安全可靠、啟閉靈活、使用方便、技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理。水工鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)前要掌握的資料如下。①水工建筑物的情況，重點(diǎn)是工程規(guī)模、重要性及調(diào)控流量要求，以此確定閘門(mén)的運(yùn)行特性和具體構(gòu)造布置等。②閘門(mén)孔口的情況，包括孔口尺寸、孔口數(shù)量以及對(duì)閘門(mén)運(yùn)行程序的要求等。③閘門(mén)上下游水位條件，設(shè)計(jì)閘門(mén)時(shí)要對(duì)可能出現(xiàn)的各種運(yùn)行水位情況進(jìn)行考慮。④水庫(kù)的水質(zhì)情況，特別對(duì)于泥沙含量大的水庫(kù)，要考慮泥沙的淤積對(duì)閘門(mén)啟閉力的影響。⑤水庫(kù)所在地的氣象和地震資料，主要包括水庫(kù)冬季是否結(jié)冰，是否需要泄冰，是否

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