型钢布置形式对弧形闸门型钢混凝土闸墩工作性能的影响研究

摘要

闸墩是泄水建筑物的关键组成部分，闸墩结构对整个水利枢纽的安全运行至关重要。随着水利事业的快速发展，大流量、高水头泄水建筑物越来越多，对闸墩承载力的要求也越来越高。由于地形地质条件、枢纽布置等因素影响，闸墩厚度受到限制，不可能通过无限增加闸墩厚度来满足对闸墩承载能力不断增加的要求。预应力闸墩的应用，一定程度上解决了闸墩承载力不足问题，但预应力锚索的应力松弛、闸墩抗震性能的提高等问题还不能得到有效解决。型钢混凝土具有承载能力强、刚度大、延展性能好等特点，将型钢混凝土应用于闸墩来提高其承载力已有一定数量的研究成果，但基本都是集中在闸墩每侧只布置一根型钢的研究，还尚欠缺墩体内布置多根型钢的研究。本文在型钢混凝土闸墩已有的研究基础上结合闸墩应力分布等特点，在闸墩中布置多根分布式型钢来研究型钢布置形式对弧形闸门型钢混凝土闸墩工作性能的影响。
　　本文利用有限元软件ANSYS，采用弧门支座附近闸墩的局部受拉区的配钢量不变原则，分别建立单型钢和多型钢闸墩有限元模型。根据闸墩应力分布等特点，将多型钢闸墩内型钢数量设定为两根和三根，并分别以20°、25°、30°、40°四种不同的扩展角进行布置。本文从闸墩位移、应力、裂缝分布和承载能力等方面研究了型钢布置形式对闸墩工作性能的影响。研究结果表明:
　　(1)闸墩在对称荷载作用下，保持型钢之间扩展角不变，闸墩最大位移随型钢数量增加而减小;保持型钢数量不变，闸墩最大位移随着扩展角的增加先减小后增大。非对称荷载作用下，扩展角为20°、25°时，墩体内布置两根型钢的闸墩最大位移较小;扩展角为30°、40°时，墩体内布置三根型钢的闸墩最大位移较小。保持型钢数量不变，闸墩最大位移随着扩展角的增加先减小后增大。
　　(2)闸墩在对称荷载作用下，保持型钢之间扩展角不变，多型钢闸墩控制点应力随型钢数量增加而减小;保持墩体内型钢数量不变，闸墩控制点应力随着扩展角的增加先减小后增大。
　　非对称荷载作用下，墩体内型钢数量对闸墩控制点应力影响不大;保持墩体内型钢数量不变，闸墩控制点应力随着扩展角的增加逐渐增大。
　　(3)多型钢闸墩比单型钢闸墩裂缝发展慢。对称荷载作用下，多型钢闸墩不同布置形式对闸墩裂缝发展影响不大。非对称荷载作用下，型钢之间扩展角对多型钢闸墩裂缝发展有较大影响，在裂缝初期，扩展角较小的闸墩裂缝发展较慢;随着裂缝的扩散，扩展角较大的闸墩裂缝发展较慢，裂缝超过型钢布置范围后在闸墩内扩散速度加快。布置型钢数量对多型钢闸墩裂缝发展影响不大。
　　(4)闸墩在对称荷载作用下，保持型钢之间扩展角不变，闸墩承载能力随着型钢数量的增加逐渐增强;保持型钢数量不变，闸墩承载能力随着扩展角的增加先增强后减弱。
　　非对称荷载作用下，保持型钢之间扩展角不变，墩体内布置两根型钢的闸墩承载能力最强;保持型钢数量不变，闸墩承载能力随扩展角增加逐渐减弱。
　　(5)从闸墩位移、应力、裂缝发展情况和承载能力等方面综合考虑，型钢混凝土闸墩内采用三根型钢以25°扩展角进行布置时为相对较好的布置形式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 型钢混凝土结构研究现状

1．2．2 型钢布置方式的研究现状

1．2．3 有待进一步解决的问题

1．3 研究主要内容及方法

1．4 技术路线

第二章 有限元理论及模型建立

2．1 基本理论

2．1．1 有限单元法

2．1．2 非线性有限元求解分析

2．2 材料属性

2．2．1 混凝土材料参数及本构关系

2．2．2 破坏准则

2．2．3 型钢材料参数及本构关系

2．2．4 屈服准则

2．2．5 型钢混凝土闸墩极限状态定义

2．3 基本假定

2．4 模型建立

2．4．1 工程概况

2．4．2 型钢截面形式

2．4．3 有限元网格划分

2．4．4 边界条件设置及求解设置

第三章 型钢混凝土弧门闸墩型钢布置形式的确定

3．1 前言

3．2 型钢混凝土闸墩型钢布置数量的确定

3．3 型钢混凝土闸墩型钢埋置长度的确定

3．4 型钢混凝土闸墩型钢布置角度的确定

3．5 型钢混凝土闸墩不同布置形式的确定

3．6 本章小结

第四章 型钢布置形式对型钢混凝土闸墩工作性能的影响研究

4．1 前言

4．2 型钢不同布置形式下闸墩位移分析

4．2．1 对称荷载作用下闸墩位移分析

4．2．2 非对称荷载作用下墩体位移分析

4．3 型钢不同布置形式下闸墩应力分析

4．3．1 对称荷载作用下墩体应力分析

4．3．2 非对称荷载作用下墩体应力分析

4．4 型钢不同布置形式下闸墩裂缝发展分析

4．4．1 对称荷载作用下闸墩裂缝发展分析

4．4．2 非对称荷载作用下闸墩裂缝发展分析

4．5 不同布置形式下型钢闸墩承载能力分析

4．5．1 对称荷载作用下型钢混凝土闸墩承载能力分析

4．5．2 非对称荷载作用下型钢混凝土闸墩承载能力分析

4．6 型钢不同布置形式下的应力和位移分析

4．6．1 型钢应力分布

4．6．2 型钢位移分布

4．7 不同型钢截面面积的闸墩工作性能对比分析

4．7．1 闸墩应力分析

4．7．2 闸墩位移分析

4．7．3 型钢应力分析

4．8 有无横向连接型钢的闸墩工作性能对比分析

4．8．1 闸墩应力分析

4．8．2 闸墩位移分析

4．8．3 型钢应力分析

4．9 本章小结

第五章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表论文