用子模型方法进行高拱坝预应力闸墩结构有限元分析

摘要

本文以某高拱坝坝身泄水孔U形锚固预应力闸墩为研究对象,这种结构的特点: 孔口设计水头高,工作门承受的水推力大:出口工作门闸墩为大悬臂结构,且其对应部位的坝体较薄,坝体与闸墩不分缝,坝体应力大；深孔流道为有压段,为满足水力学要求,进出口孔口高宽比不同,受坝体应力影响,孔口应力较大；下游悬臂较长,弧门的支撑结构为闸墩和大梁组成的空间结构,结构复杂,仿真难度大；相对于其它形式的预应力闸墩锚固形式,目前对U形锚固闸墩的作用机理、数值模拟等的研究较少. 在前人对U形锚固闸墩研究的基础上,进一步探讨了U形锚固方式的作用机理,提出了行之有效的数值模拟方法.针对以往对拱坝泄水孔口闸墩有限元分析计算过程中存在的边界条件过于简化,难以反映整个坝体应力及地基对坝体孔口应力影响的不足,用子模型方法对某高拱坝泄水孔口预应力闸墩进行了分析.通过用子模型法和传统边界简化模型两种方案的计算,分析了闸墩在不同工况下的工作性态和应力分布规律,总结了结构关键部位的受力特性和应力分布规律,为优化闸墩结构和主、次锚索布置提供了依据. 从两种方案的对比分析可以得出,相对于传统计算方法,子模型方法可以得到结构关心区域更加精确的数值解,有利于提高计算精度,使得对于处理大型复杂的水工建筑物模型成为可能,且有效地考虑了坝体应力和地基的影响,是解决大型复杂水工建筑物数值模拟的有利途径.从子模型计算分析的结果可以看出,在没有施加预应力的情况下,U形锚固区前端的流道侧壁上产生了较大的拉应力,超过了混凝土的抗拉强度.通过验证方案的对比分析,找出了产生结果的原因.相对于竖井对拉式锚固,U形锚固闸墩在坝体内的锚固只需埋设环形钢管成孔,基本不削弱坝体的受力截面,且环形锚固周围的应力分布比竖井对拉式的直线形锚索要均匀,是解决高拱坝泄水孔口闸墩应力的有利途径,值得同类工程设计参考.

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1预应力锚固技术的发展及在水工结构中的应用

1.1.1预应力锚固技术的发展

1.1.2预应力锚固技术在水工结构中的应用

1.2预应力闸墩的应用及研究现状

1.2.1预应力锚固技术在闸墩中的应用

1.2.2预应力闸墩的结构设计

1.2.3预应力锚固数值模拟技术

1.3本文研究的主要内容及意义

1.3.1本文的研究目的

1.3.2本文的主要研究内容

1.3.3本课题研究的意义

2有限元理论与子模型方法

2.1工程中常用的数值模拟方法

2.2有限单元法概述

2.3有限单元法基本方程

2.4有限元子模型方法概述

3预应力混凝土的有限元分析与ANSYS实现

3.1混凝土的本构模型概述

3.2混凝土结构有限元分析

3.3有限元计算软件简介

3.3.1有限元分析软件

3.3.2 ANSYS软件简介

3.3.3 ANSYS软件在水工结构中的应用

3.3.4 ANSYS中的混凝土单元

3.3.5 ANSYS中钢筋混凝土的处理方法

3.4预应力混凝土的数值模拟在ANSYS上的实现

3.4.1等效荷载法

3.4.2实体锚索法

4闸墩的预应力技术及数值模拟

4.1预应力闸墩的设计规定

4.2闸墩的预应力锚固技术及数值模拟方法

4.2.1预留孔和竖井对拉式锚固

4.2.2 U形锚固

4.2.3胶结式锚固

4.3弧门支承结构

4.4 U形锚固的力学模型验证

4.5预应力闸墩有限元分析的子模型方法

5工程实例分析

5.1工程概况和研究目的

5.1.1工程概况

5.1.2闸墩的预应力锚索布置

5.1.3计算目的和内容

5.1.4材料力学指标

5.1.5计算荷载及组合

5.2计算模型的建立及网格划分

5.2.1计算假定

5.2.2计算模型及边界条件

5.2.3荷载施加

5.3两方案计算成果及分析

5.3.1计算结果分析

5.3.2典型部位指定路径分析

5.4验证方案计算成果及分析

5.4.1验证方案说明

5.4.2验证方案对比分析

5.5小结

附图

6总结与展望

6.1全文总结

6.2存在的问题及研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及主要参加的科研项目