大尺度预应力混凝土蜗壳模型试验研究

发布时间：2020-11-23 09:47

　　 河床式水电站因水头较低通常采用钢筋混凝土蜗壳。针对较高水头混凝土蜗壳的限裂和防渗问题,国内高坝洲和银盘水电站采用预应力加固技术取得了良好的加固效果。但目前关于预应力混凝土蜗壳的研究成果和工程案例数量较少,特别是水头更高,尺寸更大的预应力蜗壳的锚索设计仍缺少必要的理论和实践依据。本文结合工程实例开展了大型预应力混凝土蜗壳的仿真模型试验研究,并辅以三维非线性有限元分析验证了预应力锚索的加固效果,得到的结论如下:(1)无预应力蜗壳试验。在设计内水压力下,各测试断面上环向和水流向钢筋拉压应力数值较小,均未超过钢筋的设计强度。环向钢筋拉应力、混凝土环向拉应变远大于水流向的对应值,且各测试断面上的最大值沿水流方向不断减小。蜗壳侧墙与顶板和底板连接内侧拐角附近存在应力集中现象,钢筋应力最大值已达到23.2MPa,蜗壳混凝土内部已接近开裂或者刚刚开裂。混凝土外表面未发现可见裂缝,左侧墙外侧中部混凝土最大拉应力已接近混凝土的设计抗拉强度2.01MPa,处于开裂边缘。(2)预应力蜗壳试验。在1#—2#断面范围内左侧墙外侧设置竖向预应力锚索。加载至正常运行工况,施加预应力前后各断面上钢筋、混凝土应力应变分布曲线规律基本一致,只是1#和2#断面左侧墙外表面中部混凝土竖向拉应变分别降低了5.0%和7.7%,说明设置竖向预应力锚索可有效降低该位置处竖向拉应力,但降幅不大。超载试验结果表明,蜗壳左侧墙外表面混凝土的开裂荷载为0.62MPa,超过设计内水压力33.3%。加载至超载工况时,结构仍可满足承载力要求。说明设置竖向预应力锚索后,混凝土蜗壳具有较高的超载能力。(3)考虑温度作用的混凝土蜗壳非线性分析。对不同温度荷载下无预应力蜗壳结构进行了三维非线性计算分析。结果表明,夏季工况下,蜗壳顶板和左侧墙内侧受力钢筋应力分别增加了21%和20.6%,夏季工况下温度荷载对结构影响相对较大,整个结构裂缝最大宽度均小于规范限值0.30mm。但左侧墙外侧中部混凝土主拉应力值已接近2.01MPa,处于开裂边缘。(4)考虑温度作用的预应力混凝土蜗壳非线性分析。将单索张拉力提高到3000kN进行非线性计算分析。结果表明,夏季运行工况下,左侧墙外侧中部混凝土的竖向拉应力和主拉应力降幅可达10.7%和8.4%,整体结构的最大裂缝宽度可减小0.03mm,说明单索张拉力提高到3000kN后,预应力锚索的加固效果会更加明显。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV332
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 水电站预应力蜗壳发展概述
    1.3 本文主要研究内容
    1.4 本文主要研究方法
2 蜗壳模型设计及试验方案
    2.1 工程概况
    2.2 模型试验理论
    2.3 模型设计
        2.3.1 模拟范围
        2.3.2 模型配筋
        2.3.3 预应力锚索布置方案
        2.3.4 量测内容和量测断面
    2.4 试验方案
        2.4.1 试验荷载
        2.4.2 加载方案
3 无预应力蜗壳试验
    3.1 蜗壳顶部竖向荷载的影响
    3.2 内水压力作用下的结果分析
        3.2.1 钢筋应力分析
        3.2.2 混凝土应变分析
        3.2.3 蜗壳混凝土开裂分析
    3.3 本章小结
4 预应力蜗壳试验
    4.1 正常运行工况下的预应力蜗壳试验
        4.1.1 预应力钢筋张拉力的影响
        4.1.2 预应力和内水压力作用下的结果分析
    4.2 正常运行工况下预应力施加前后蜗壳试验对比分析
        4.2.1 钢筋应力分析
        4.2.2 混凝土应变分析
    4.3 预应力蜗壳超载试验
        4.3.1 钢筋应力分析
        4.3.2 混凝土应变分析
        4.3.3 混凝土开裂分析
    4.4 本章小结
5 考虑温度荷载的蜗壳非线性分析
    5.1 ANSYS相关理论分析
        5.1.1 钢筋混凝土理论
        5.1.2 预应力钢筋混凝土理论
        5.1.3 热应力分析理论
    5.2 计算模型
    5.3 计算工况和荷载
    5.4 无预应力蜗壳非线性分析
        5.4.1 混凝土应力分析
        5.4.2 裂缝分布
        5.4.3 钢筋应力分析和裂缝宽度复核
    5.5 预应力蜗壳非线性分析
        5.5.1 混凝土应力分析
        5.5.2 裂缝分布
        5.5.3 钢筋应力分析和裂缝宽度复核
    5.6 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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本文编号：2894678