用子模型方法进行高拱坝预应力闸墩结构有限元分析
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摘要
论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,这种结构的特点是: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。
论文在前人对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。论文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。
The U type pre-stressed pier of a high arch dam is the research object of this paper.The characteristics of this structure are as follows:the design water level is high, water thrust that the gate received is enormous;outlet gate pier is gigantic cantilever and the dam body corresponded is thin comparatively,there is no slot between dam and pier,dam stress is relatively gigantic; in order to meet the request of hydraulics the ratio of height to width for inlet and outlet is different,thus the orifice stress is greatly influenced by dam body stress; downstream cantilever is longer and the support structure of arch-gate is dimensional structure composed of pier and beam. The structure is so complex that it is difficult to simulate; relative to other pre-stressed pier anchor style, research on the function mechanism and numerical simulation of U style pier is less nowadays.
This paper ulteriorly discuss the mechanism of U style anchor based on researches of other investigators, and bring forward an effective numerical simulation method. Pervious researches on arch dam pre-stressed pier has a problem that the boundary condition is too simple to reflect the influence of dam body stress and foundation. This paper analyse a high arch dam pre-stressed pier with submodeling method. Also investigated work characteristics and stress distribution law under different cases, summarized stressing specialty and stress distribution rule of key structure part through calculating two schemes by submodeling method and conventional simplified boundary model. It offers references for pier structure’s optimization and arrangement of main, secondary anchor cable.
In contrast to traditional calculation method, submodeling method can gain more accurate numerical value for the concerning region of model, enhance calculation accuracy, make it possible to compute huge complex hydraulic structure model, and take account of dam body stress and foundation influence effectively through comparison of two schemes. This method is an effective approach to numerical simulation for huge complex hydraulic structure. Outlet flank in the front of U type anchoring area appear larger tensile stress without prestress through submodeling method calculation, this tensile stress exceeds tensile strength of concrete. This paper find out the reason through comparative analysis of verification scheme. U type anchor pier merely embed loop steel tube to form hole, which hardly weaken stressing section of dam body, furthermore the stress distribution around loop anchor is more symmetrical than that around straight line anchor cable of silo contrary tensile. So this is the effective method to simulate high arch dam outlet pier and can be reference for similar project design.
论文在前人对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。论文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。
The U type pre-stressed pier of a high arch dam is the research object of this paper.The characteristics of this structure are as follows:the design water level is high, water thrust that the gate received is enormous;outlet gate pier is gigantic cantilever and the dam body corresponded is thin comparatively,there is no slot between dam and pier,dam stress is relatively gigantic; in order to meet the request of hydraulics the ratio of height to width for inlet and outlet is different,thus the orifice stress is greatly influenced by dam body stress; downstream cantilever is longer and the support structure of arch-gate is dimensional structure composed of pier and beam. The structure is so complex that it is difficult to simulate; relative to other pre-stressed pier anchor style, research on the function mechanism and numerical simulation of U style pier is less nowadays.
This paper ulteriorly discuss the mechanism of U style anchor based on researches of other investigators, and bring forward an effective numerical simulation method. Pervious researches on arch dam pre-stressed pier has a problem that the boundary condition is too simple to reflect the influence of dam body stress and foundation. This paper analyse a high arch dam pre-stressed pier with submodeling method. Also investigated work characteristics and stress distribution law under different cases, summarized stressing specialty and stress distribution rule of key structure part through calculating two schemes by submodeling method and conventional simplified boundary model. It offers references for pier structure’s optimization and arrangement of main, secondary anchor cable.
In contrast to traditional calculation method, submodeling method can gain more accurate numerical value for the concerning region of model, enhance calculation accuracy, make it possible to compute huge complex hydraulic structure model, and take account of dam body stress and foundation influence effectively through comparison of two schemes. This method is an effective approach to numerical simulation for huge complex hydraulic structure. Outlet flank in the front of U type anchoring area appear larger tensile stress without prestress through submodeling method calculation, this tensile stress exceeds tensile strength of concrete. This paper find out the reason through comparative analysis of verification scheme. U type anchor pier merely embed loop steel tube to form hole, which hardly weaken stressing section of dam body, furthermore the stress distribution around loop anchor is more symmetrical than that around straight line anchor cable of silo contrary tensile. So this is the effective method to simulate high arch dam outlet pier and can be reference for similar project design.
引文
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