溫中華，閆 飛，解 偉

（1.華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，鄭州 450011；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，鄭州 450002）

蒲石河水庫(kù)預(yù)應(yīng)力閘墩模型受力狀態(tài)研究

溫中華1，閆 飛2，解 偉1

（1.華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，鄭州 450011；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，鄭州 450002）

由于蒲石河抽水蓄能電站閘前水位較高，水推力大，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足強(qiáng)度和剛度方面的要求。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，建立預(yù)應(yīng)力空腔式錨塊閘墩模型來(lái)模擬閘墩在幾種工況下的應(yīng)力，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果顯示計(jì)算模型可以真實(shí)地反映物理模型的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果為蒲石河抽水蓄能電站預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)及施工提供了重要的依據(jù)。

預(yù)應(yīng)力錨束；閘墩模型；空腔式錨塊；有限元；應(yīng)力

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，三維有限元分析技術(shù)在大型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中所起的作用越來(lái)越重要，成為設(shè)計(jì)的重要輔助手段，并且三維有限元分析技術(shù)有傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)不可比擬的可重復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，所以在蒲石河抽水蓄能電站下水庫(kù)泄洪排沙閘預(yù)應(yīng)力閘墩中墩模型試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行了大量的模型三維有限元計(jì)算分析，以配合補(bǔ)充模型試驗(yàn)結(jié)果。

1 閘墩的有限元計(jì)算模型

1.1 有限元模型建立、剖分

有限元計(jì)算模型嚴(yán)格參照模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立，模型部分橫河向以閘墩底邊軸線為對(duì)稱軸，兩邊各取9 m，順河取閘墩的實(shí)際長(zhǎng)度43.5 m，模型為實(shí)際尺寸的1／10。其細(xì)部結(jié)構(gòu)見參考文獻(xiàn)［1］，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分［1～3］。模型有限元計(jì)算模型共剖分近67 000個(gè)單元（見圖1）。

圖1 蒲石河抽水蓄能電站預(yù)應(yīng)力閘墩模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀邢拊史謭DFig.1 The finite element of prestressed piermodel of Pushi River Pumped Storage Power Station

1.2 材料計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范SL／T 191-96》［4］與《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范DL 5077-1997》［5］中規(guī)定的C40混凝土的指標(biāo)選取，結(jié)果見表1。

表1 材料參數(shù)Table 1 Thematerial parameters

1.3 模型計(jì)算基本假定

（1）閘室混凝土及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料符合小變形情況下的線彈性基本假定，即按線彈性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)體有限元計(jì)算分析。

（2）弧門推力，預(yù)應(yīng)力錨束力參照模型試驗(yàn)方法按照集中力進(jìn)行模擬，附加自重按照均布力進(jìn)行模擬。

1.4 結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系

模型的建立采用整體直角坐標(biāo)系，順?biāo)飨驗(yàn)閤軸，水平指向下游為正；豎直方向?yàn)閥軸，豎直向上為正；垂直水流向?yàn)閦軸，正向由右手螺旋法則確定。

1.5 邊界條件假定

根據(jù)模型試驗(yàn)的實(shí)際情況，取堰體底面為固定端，其余結(jié)構(gòu)面均為自由面。為提高預(yù)應(yīng)力錨束的預(yù)壓效果，需在錨塊底部與閘墩接觸部位設(shè)置彈性墊層。錨塊底部與閘墩采用隔離方式，二者之間不傳遞拉應(yīng)力［6］。

1.6 計(jì)算工況及荷載組合

根據(jù)模型試驗(yàn)研究方案，模型計(jì)算考慮的荷載和計(jì)算工況如下：

（1）施工期荷載組合（工況一）。結(jié)構(gòu)自重+主錨束張拉力（張拉噸位）+次錨束張拉力（張拉噸位）。

（2）雙側(cè)關(guān)門——對(duì)稱荷載（工況二）。結(jié)構(gòu)自重+雙側(cè)弧門推力+主錨束張拉力（永存噸位）+次錨束張拉力（永存噸位）。

（3）一側(cè)開門一側(cè)關(guān)門——非對(duì)稱荷載（工況三）。結(jié)構(gòu)自重+單側(cè)弧門推力+主錨束張拉力（永存噸位）+次錨束張拉力（永存噸位）+側(cè)向過(guò)水壓力。

其中加載荷載數(shù)值為：①結(jié)構(gòu)附加自重根據(jù)計(jì)算為1 280 kN；②單側(cè)弧門推力為170 kN；③主錨束張拉力為70 kN；④次錨束張拉力為38.3 kN；⑤單側(cè)過(guò)水力見表2。

表2 模型側(cè)向水壓力計(jì)算數(shù)值和形心點(diǎn)位置Table 2 Lateral water pressure calculated data and centroid locations in model

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 施工期工況計(jì)算結(jié)果及分析

由圖2、圖3可以看出，施加預(yù)應(yīng)力后，錨塊部位受力較復(fù)雜，在主次錨束共同作用下，錨塊空腔上下游均產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。最大拉應(yīng)力位于空腔下游跨中邊緣處，其中空腔中間部位受較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力，即第一主應(yīng)力最大值約4 MPa，空腔中間處z＇向正應(yīng)力最大值為2.46 MPa。

圖2 施工期工況下錨塊應(yīng)力分布圖Fig.2 The stress distribution graphs of the anchor block during the construction period（unit in Pa）

2.2 雙側(cè)關(guān)門荷載作用下計(jì)算結(jié)果及分析

圖4、圖5為雙側(cè)關(guān)門荷載作用下頸部及錨塊的計(jì)算結(jié)果。由圖可以看出：在對(duì)稱荷載作用下，閘墩頸部拉應(yīng)力呈扇形分布，最大正應(yīng)力發(fā)生在錨塊與閘墩頸部結(jié)合處的中間位置，隨著距錨塊距離的增大，拉應(yīng)力也逐漸減小。閘墩除了在頸部出現(xiàn)較小范圍的拉應(yīng)力區(qū)外，其余仍基本處于壓應(yīng)力區(qū)。

圖3 施工期工況下頸部應(yīng)力分布圖Fig.3 The stress distribution graph of under the construction period the neck（unit in Pa）

圖4 雙側(cè)關(guān)門荷載作用下錨塊應(yīng)力分布圖Fig.4 The first principal normal stress distribution graph of load anchor block the with double-side closed-gate（unit in Pa）

圖5 雙側(cè)關(guān)門荷載作用下頸部應(yīng)力分布圖Fig.5 The principal normal stress distribution graphs of the neck the with double-side closed-gate（unit in Pa）

2.3 單側(cè)關(guān)門荷載作用下計(jì)算結(jié)果及分析

圖6、圖7為單側(cè)關(guān)門荷載作用下頸部及錨塊的主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。由圖可以看出：在不對(duì)稱的荷載作用下，閘墩及錨塊部分應(yīng)力分布明顯不對(duì)稱。關(guān)門側(cè)閘墩頸部出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，過(guò)水側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)；在關(guān)門側(cè)的閘墩頸部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在閘墩頸部與錨塊交界處中間偏下的位置，正應(yīng)力數(shù)值為1.8 MPa。相應(yīng)主拉應(yīng)力2.1 MPa，隨著距錨塊距離的增加閘墩頸部拉應(yīng)力明顯呈減小的趨勢(shì)。雖然此種工況下正應(yīng)力最大值較大，但范圍較小；頸部拉應(yīng)力在z向遞減迅速，最大拉應(yīng)力基本上只出現(xiàn)在閘墩表面。

圖6 單側(cè)關(guān)門荷載作用下錨塊應(yīng)力分布圖（Pa）Fig.6 The stress distribution graphs of the anchor block with one side closed-gate（unit in Pa）

圖7 單側(cè)關(guān)門荷載作用下頸部應(yīng)力分布圖（Pa）Fig.7 The stress distribution graphs of the neck with one side closed-gate（unit in Pa）

3 結(jié) 論

由以上計(jì)算結(jié)果可得出如下結(jié)論：

（1）由于預(yù)應(yīng)力筋的采用對(duì)閘墩頸部的受力較有利，此部位在3種工況下雖有較大應(yīng)力出現(xiàn)，但一般在結(jié)構(gòu)允許的范圍之內(nèi)或是作用范圍較小，對(duì)結(jié)構(gòu)整體影響不大；

（2）由于空腔式錨塊的采用，在以上工況下雖出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，但由于空腔的回填拉應(yīng)力將大大減?。?］。

本項(xiàng)目的研究計(jì)算成果為預(yù)應(yīng)力閘墩的結(jié)構(gòu)配筋提供參考，為新型預(yù)應(yīng)力閘墩和空腔式錨塊的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］ 解 偉.蒲石河抽水蓄能電站下水庫(kù)泄洪排沙閘預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.鄭州：華北水利水電學(xué)院，2008.

［2］ 宋 勇.精通ANSYS7.0有限元分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］ 張朝暉.ANSYS工程應(yīng)用范例入門與提高［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［4］ 譚建國(guó).使用ANSYS6.0進(jìn)行有限元分析［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2002.

［5］ SL／T 191-96，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］ DL 5077-1997，水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］ 夏世法.尼爾基水利樞紐預(yù)應(yīng)力閘墩有限元計(jì)算研究報(bào)告［R］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2003.

［8］ 張家宏.蒲石河抽水蓄能電站下水庫(kù)泄洪排沙閘預(yù)應(yīng)力閘墩有限元計(jì)算研究報(bào)告［R］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2006.

（編輯：周曉雁）

Force State Investigation about Prestressed Pier model of Pushi River Pumped Storage Power Station

WEN Zhong-hua1，YAN Fei2，XIEWei1
（1.North China University ofWater Conservancy and Electric Power，Zhengzhou 450011，China；2.Henan Academy of Agricultural Sciences，Zhengzhou 450002，China）

Because of the high water level and the bigwater pressure of the Pushi River Pumped Storage Power Station，traditional ferroconcrete structure couldn’t statisfy the need of intensity and rigidity.The article establishes a prestressed hollow anchor block piermodel simulating the stress of the pier with severalworking conditions and analyses the result in detail；the calculatingmodel really reflects the state of stress and strain about physicalmodel，so the computed result can provide important basis of the design and construction of prestressed pier of the Pushi River Pumped Storage Power Station.

prestressed anchorage cable；piermodel；hollow anchor block；finite element；stress

TV662.2

B

1001-5485（2009）08-0073-03

2009-04-01；

2009-04-27

華北水利水電學(xué)院青年科研基金（HSQJ2008003）

溫中華（1972-）女，河南西平人，講師，主要從事水工結(jié)構(gòu)可靠度教學(xué)與研究，（電話）13938488060（電子信箱）wzhzhonghua＠126.com。