变径渐开线双曲拱坝建模及有限元分析

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水电是我国资源最丰富的可再生能源,大约70%~80%都集中在西部地区,而这些地区多高山峡谷,宜于修建拱坝。拱坝超载能力强,工程安全度高,所需建筑材料少,工程建设周期短,节省投资。目前,我国修建的拱坝坝型有圆弧拱坝、椭圆拱坝、抛物线拱坝、双曲线拱坝、对数螺线拱坝等。不同的地质条件适合不同的拱坝坝型,坝型的种类越多,工程设计时可选择的机会就越多。我国已公开向全球宣布了2020年非化石能源占一次性能源的15%左右,因此在水电开发任务依然繁重的今天,对新型拱坝的研究仍然十分必要。基于此,本文作者将渐开线引入到拱坝坝型设计中,并对其展开了分析研究。本文主要进行了以下工作:首先介绍了有限元法和ANSYS软件及APDL。重点介绍了在本文中要用到的有关单元类型。叙述了拱坝有限元计算原理。列举了有限元应用于拱坝的优点,并对有限元计算原理进行了阐述。根据S、β1、β2不同组合,建立和分析了144个拱冠梁模型,通过对模型应力出现的位置和大小的分析,得出了:当β1、β2固定,最大拉应力和最大压应力随着倒悬S的增加而增加;当S、β2固定,最大压应力随着β1增大呈减小趋势的规律。建立了渐开线拱坝数学模型,推导了拱圈上游曲线中心角及弧长积分公式、拱圈面积计算公式和拱坝体积求解公式,编制了C语言程序,实现了对公式结果的自动求解,经过分析比较它们的中心角、弧长、拱圈面积、拱坝体积后发现:渐开线起始端参数t0固定时,基圆半径、拱圈上游曲线弧长及曲线弧长曲率半径随着高程的增加而增加;当起始端参数t0增大时,拱坝的体积和中心角也在增大。得出,要减小拱坝混凝土浇筑方量,参数t0的选取值要尽量小的结论。建立了多个渐开线拱坝三维模型,在自重+上下游水压力+泥沙压力+温升工况下,对渐开线拱坝系列三维模型进行了位移和应力计算,并对计算结果进行了分析。顺河方向的最大位移都发生在渐开线拱坝坝顶的拱冠梁附近,最大位移都在1.0cm左右。得出了,大坝第一主应力大部分为压应力,这主要是上游水压力和泥沙压力作用的结果。各个模型都出现了应力集中的现象,都发生在坝踵的位置,应力值较大,分析了出现这一现象的原因和解决办法。拱坝应力集中与t0的关系是一条类似抛物线的曲线。定性地得出了拱坝最大应力随渐开线起始端参数t0变化规律和变化趋势。
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