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一种新型拱坝—摆线拱坝的应力分析与体型优化研究

叶荣波  
【摘要】:拱坝作为一种挡水建筑物,其类型有凸向上游的单曲拱坝及切除单曲拱坝腹梁底受拉区混凝土后形成的双曲拱坝,其坝的体型一直处于不断的改进及优化过程中。目前我国的拱坝类型主要有单心、双心、三心圆弧双曲拱坝,抛物线双曲线拱坝,椭圆双曲拱坝,对数螺线双曲拱坝等。 拱坝的体型对坝体的安全、造价和施工等都有着重要的影响。拱坝的安全可靠性是依靠坝体混凝土的强度和两岸拱座岩体的强度及稳定性来保证的。在拱坝体型设计中,一方面需要充分发挥混凝土抗压强度高的优势,以尽量减少拉应力,使坝体承受较均匀的压应力,把荷载传递至两岸坝基;另一方面要重视两岸拱座的抗滑稳定和岩体变形,使两岸坝肩的推力尽量转向山体。例如,圆弧拱坝应力分布较好,体型简单,便于设计、施工,但适宜较大的中心角,故岸坡交角不大理想,而对数螺线拱坝坝体应力分布、坝肩稳定和抗震性能方面较其它坝型优越,但线型复杂,调整体形也困难,对改善推力角效果不明显。因此,我们只能在矛盾之间取舍,达到设计的最优状态。 由于现有拱坝线型存在坝身应力大小及岸坡稳定与否的矛盾,为此本文经过初步探讨提出新的拱坝线型——摆线型拱坝。 为了论证新线型作为拱坝轴线的合理性,本文建立了摆线拱坝数学模型,并结合结构力学建立摆线拱坝的力学模型,通过初步应力计算,得到了拱、梁应力分布规律及拱、梁荷载分配规律,证实了摆线很可能成为以一种新型的拱坝线型,并对初步应力计算结果进行了体型优化,使其达到设计规范的标准。 为了进一步证实摆线拱坝的可行性,通过ANSYS建立摆线拱坝的三维实体模型,并在ANSYS中完成了摆线拱坝在最不利荷载组合下的应力分析及结构响应,结果表明在ANSYS中计算的结果与在结构力学中计算结果近似相等。并且其两次计算结果都满足混凝土拱坝设计规范标准。这将进一步论证了摆线成为拱坝新线型的可能性,并为摆线拱坝成为我国备选拱坝线型提供了丰富的理论论证。


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