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泄水建筑物是水工建筑物的重要部位,为了确保其在泄量大、工作水头高的条件下,安全正常的运行,采用新型的预应力闸墩结构已经成为现代水利工程发展的必然趋势。对预应力闸墩进行应力分析,研究其工作性态,选择适宜的预应力锚索方案、合适的预应力闸墩结构形式、截面尺寸,能起到保证安全、减少投资的目的。
本文简述了预应力闸墩的应用和发展现状,以及预应力闸墩的结构特性和工作原理,简单介绍总结了预应力闸墩研究的概况和方法。以某在建拱坝工程为背景,利用大型有限元软件ANSYS对该拱坝的导流底孔出口预应力闸墩进行三维有限元应力分析,并通过方案比选的方法对预应力闸墩厚度进行优化。通过研究,为工程安全和预应力闸墩配筋提供依据,并确定合适的闸墩厚度,以达到经济和安全的目的。也可为同类预应力闸墩的设计提供参考。
首先,综合分析闸墩的工作环境,根据施工导流规划,分析1#~6#导流底孔在运行期的特点,提出3种温度荷载施加方式,并和不同的自重荷载、水荷载等荷载进行组合,制定12种计算工况。根据拱坝体形图建立大坝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,大坝大部分采用六面体单元,导流底孔采用四面体单元。使用等效荷载法模拟预应力锚索对闸墩的作用,以达到模拟施加预应力的目的。
然后,对导流底孔及出口闸墩进行有限元计算,分析出口闸墩及环形锚索附近坝体应力、弧门支铰大梁以及闸墩应力和位移。在最不利荷载作用下出口闸墩段、环形锚索附近坝体以及支铰大梁大部分区域处于受压状态,仅在闸墩孔口、预应力锚索和大梁支铰附近区域产生局部拉应力,满足设计要求,所以3#、4#导流底孔预应力闸墩悬臂结构的设计是合理的。
最后,在前期成果的基础上,采用方案比选的方法对预应力闸墩厚度进行优化,通过对施加预应力和不施加预应力两种情况下不同厚度的闸墩进行有限元计算,了解不同方案下的出口闸墩、支铰大梁、与闸墩连接坝体的应力分布情况以及预应力闸墩控制性部位第一主应力变化情况,最终通过比选确定了一个各项指标较好的合适厚度。