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冲击荷载下管翼缘柱格栅坝动力性能分析及试验研究

王赛龙  
【摘要】:泥石流作为全球最为严重的地质灾害之一,在国内外已发生了数起的特大泥石流灾害事件,泥石流灾害在造成巨大经济财产损失的同时又剥夺了无数人们的生命,因此,如何有效的防治泥石流灾害已经成为了必要的研究课题。在泥石流灾害的防治过程中,拦挡坝作为主要的防治手段起着重要的作用,因此,本文依托于“国家自然科学基金项目”对拦挡坝展开了相关研究。在基于甘肃省三眼峪大8号坝(钢筋混凝土格栅坝)的基础上,提出了一种管翼缘柱格栅坝结构。此坝体中的管翼缘柱为前翼缘、腹板及后翼缘焊接组成的构件,前后翼缘均为钢管混凝土柱,腹板为钢板,主要利用钢管混凝土及钢板的强抗冲击性能来抵抗泥石流中块石的冲击,用管翼缘柱替代传统拦挡坝结构中的柱体构件,旨在提高承载力的同时又能减少工程造价。本文采用有限元ANSYS/LS-DYNA数值模拟的方法对管翼缘单柱及管翼缘格栅坝体结构进行了研究分析,并对不同类型的管翼缘柱进行了冲击加载试验,探索了该构件及整个坝体结构在冲击荷载作用下的动力响应及破坏模式。详细内容如下:(1)对矩形截面、圆形截面及管翼缘截面三种不同类型的钢管混凝土柱进行有限元模拟对比分析,同时保证三种柱体构件的截面面积相同,分析结果表明:在相同冲击荷载下,管翼缘柱的塑性应变最小,冲击力最大,位移以及最终残余内能最小,即相比之下,管翼缘钢管混凝土柱具有较强的稳定性及抗冲击性。(2)基于对管翼缘钢管混凝土柱的研究结果,对其翼缘及腹板进行改进,改进后的管翼缘柱称为异型管翼缘柱Ⅰ及异型管翼缘柱Ⅱ,将改进前后管翼缘柱在冲击荷载下的动力响应进行对比。结果表明:在相同冲击荷载下,异型管翼缘柱Ⅰ的冲击力最小,位移最大,最终残余内能最小,而管翼缘柱的冲击力最大,位移最小,最终残余内能最大。(3)通过对管翼缘柱、异型管翼缘柱Ⅰ及异型管翼缘柱Ⅱ进行冲击试验研究,分析各自的破坏模式,并与数值模拟结果进行对比。结果标明:随着冲击荷载的逐渐增大,管翼缘柱、异型管翼缘柱Ⅰ及异型管翼缘柱Ⅱ的破坏模式大致分为四步,分别是:(a)冲击位置处的轻微损伤变形、(b)腹板出现轻微屈曲变形,冲击位置处局部凹陷变形(c)腹板屈曲变形,管翼缘柱整体弯曲,基本丧失工作性能、(d)腹板弯曲破坏,底部固定端撕裂,完全丧失防护性能。此外,柱体构件的试验结果与数值模拟结果的对比吻合度较高,误差较小,验证了数值模拟的准确性。(4)以管翼缘钢管混凝土柱为基本构件,基于大8号坝体(钢筋混凝土格栅坝)的足尺模型设计出管翼缘柱格栅坝的模型尺寸,并利用有限元数值模拟对管翼缘柱格栅坝在冲击荷载下的响应模式进行分析。结果表明:在冲击坝体结构中的柱体构件时,坝体的协同工作性较好,且后排管翼缘柱的损伤变形较小;在冲击坝体结构中的梁构件时,梁构件主要通过局部大变形来抵抗较多的冲击能量;即坝体结构在受冲击时,仅出现了局部的构件破坏,整体结构还能继续发挥作用,表明了管翼缘柱格栅坝具有较强的抗冲击性能;此外,该坝体与钢筋混凝土格栅坝相比,在降低经济成本的同时又极大的缩短了施工周期,具有较高的实用性。


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