特高拱坝预应力闸墩应力分析

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泄水建筑物是大坝的重要组成部分,如何确保泄水建筑物在水头高、流量大的条件下正常工作,是特高拱坝建设中需要解决的一个主要问题,当前解决该问题的关键措施是采用预应力技术。  本文归纳总结了预应力闸墩的发展情况、研究现状与结构型式,介绍了预应力闸墩的两种研究方法“有限单元法”和“结构模型试验法”。在系统综述预应力闸墩结构设计经验的基础上,本文以锦屏一级特高拱坝为工程实例,使用ANSYS软件对该拱坝导流底孔出口预应力闸墩进行三维有限元应力分析。应力分析不仅为该闸墩结构配筋提供了可靠依据,并明确得出结论--特高拱坝闸墩结构施加预应力是可行且必要的,对今后特高拱坝的设计和研究具有重要的参考价值。  首先,通过综合考虑闸墩的具体工作条件,本文确定出闸墩的四种计算工况。其中B2为最不利工况,描述了底孔导流阶段,在浇筑高程和上游水位最高时,预应力闸墩在弧形闸门关闭瞬间的情况。  第二,本文根据拱坝三维体形图对大坝建立整体三维有限元模型,准确模拟导流底孔出口预应力闸墩结构。根据计算需要进行网格剖分,对坝体大部分采用六面体单元,仅在导流底孔处采用四面体单元。使用等效荷载法模拟预应力锚索对闸墩的作用,即在沿环锚路径离散出的各节点和锚索的外锚固端上分别施加集中力,以达到模拟施加预应力的目的。  第三,在闸墩应力分析之前,本文首先对预应力锚索吨位进行方案优化比选。即在最不利工况下,采用有限元法分别计算各预应力吨位方案对应的闸墩颈部第一主应力,对照闸墩颈部抗裂控制原则,并结合各方案预应力指标和性价比指标,综合选出最优预应力吨位方案。  最后,分析闸墩三维有限元计算成果,即分析闸墩的应力与位移、预应力环锚附近应力和弧门支铰大梁的应力。分析结果表明:通过施加预应力,闸墩顶部与坝体连接处的应力极值降幅明显;环锚附近的应力状态良好,大部分表现为主压应力;支铰大梁应力极值出现在支铰面变截面根部,为变截面应力集中所致。
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