裴松偉，唐克東

（華北水利水電學(xué)院，鄭州450008）

某水電站溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩計(jì)算分析

裴松偉，唐克東

（華北水利水電學(xué)院，鄭州450008）

應(yīng)用三維有限元方法對(duì)某水電站溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩進(jìn)行了計(jì)算分析，論證了預(yù)應(yīng)力錨索上游錨固端位置和形式的合理性，優(yōu)化了預(yù)應(yīng)力錨索的布置方案和永存噸位.研究結(jié)果可為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考.

溢洪道；預(yù)應(yīng)力閘墩；錨索；錨塊；永存噸位

20世紀(jì)50年代，在突尼斯的梅列格溢洪道修建中，預(yù)應(yīng)力技術(shù)開(kāi)始被應(yīng)用于水利工程上的大型弧形閘門閘墩結(jié)構(gòu).20世紀(jì)60年代，美國(guó)在修建瓦納堡溢洪道時(shí)，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的應(yīng)力分析和試驗(yàn)研究.20世紀(jì)70年代，我國(guó)首次將預(yù)應(yīng)力技術(shù)成功應(yīng)用于葛洲壩樞紐，隨后在龍羊峽、魯布革、巖灘、二灘等工程中采用了預(yù)應(yīng)力閘墩［1］.溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，處于三維受力狀態(tài)；若采用平面結(jié)構(gòu)力學(xué)法進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果不能反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，所以，采用三維有限元法對(duì)溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩進(jìn)行計(jì)算分析研究是十分必要的.

某水電站溢洪道設(shè)4孔閘，每孔尺寸為15m×21.09m.共有3個(gè)中墩和2個(gè)邊墩，閘墩沿閘室中心線分縫，邊墩為重力擋土墻式結(jié)構(gòu).閘孔設(shè)疊梁檢修門和弧形工作門，在正常運(yùn)行情況下，單鉸最大弧門推力高達(dá)21326.5kN.由于水推力大，閘墩采用一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以滿足設(shè)計(jì)要求.因此，溢洪道閘墩采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40.為了確定溢洪道閘墩預(yù)應(yīng)力錨索上游錨固端的位置和形式，優(yōu)化溢洪道閘墩預(yù)應(yīng)力錨索的布置和永存噸位，本文采用三維有限元法對(duì)溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩進(jìn)行了計(jì)算分析.

1 上游錨固端位置和錨索布置

根據(jù)國(guó)內(nèi)外水電站工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，選取錨固豎井和錨拉洞預(yù)應(yīng)力主錨索上游端錨固方案進(jìn)行優(yōu)化.主錨束的布置在閘墩立面方向采用扇形，共5層，沿弧門推力方向布置，其上下邊緣層錨束的擴(kuò)散角為16°；平面方向采用平行布置，共4排，中墩兩側(cè)對(duì)稱布置，邊墩一側(cè)按中墩單側(cè)的原則布置，另一側(cè)布置一排平衡索.次錨束的布置采用水平布置方式，在錨塊頸部附近布置兩排橫向水平次錨束（每排4束），錨塊下游布置一排橫向水平次錨束.

2 閘墩三維有限元分析

閘墩沿閘室中心線分縫，閘墩順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)50m，閘墩段與其上游引渠段和下游泄槽段之間均設(shè)橫縫，中墩末端厚度4m，上游端厚度6.4m.預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)錨索布置和受力比較復(fù)雜，若采用材料力學(xué)和平面有限元法計(jì)算，會(huì)有較大的誤差.為了解弧門推力及預(yù)應(yīng)力荷載對(duì)閘墩和錨塊應(yīng)力分布的影響，評(píng)價(jià)預(yù)應(yīng)力錨束布置的合理性，采用三維有限元法對(duì)溢洪道中墩進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究.

2.1 基本假定和混凝土應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

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；不考慮基礎(chǔ)巖石中的夾層等破碎帶，認(rèn)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性材料［2］.閘墩按部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)為：在正常使用條件下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最大拉應(yīng)力不應(yīng)大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的1／2［3－4］.

2.2 計(jì)算荷載

自重荷載：按體積考慮.

預(yù)應(yīng)力荷載：計(jì)算中預(yù)應(yīng)力荷載均按永存噸位考慮.

水荷載：一部分作用于閘墩表面，一部分通過(guò)弧門支臂傳到支鉸.

溫度荷載：按溫度下降5℃考慮.

2.3 計(jì)算范圍

取中墩整體結(jié)構(gòu)（即中墩兩側(cè)分別帶有一半閘室底板）進(jìn)行計(jì)算，基礎(chǔ)深度取一倍閘室高度50m，基礎(chǔ)上下游延伸長(zhǎng)度（順?biāo)鞣较颍┚?0m，基礎(chǔ)沿垂直水流方向的寬度同閘室.

2.4 計(jì)算工況

工況1：自重＋水荷載＋兩側(cè)弧門推力.

工況2：自重＋水荷載＋兩側(cè)弧門推力＋預(yù)應(yīng)力.

工況3：自重＋水荷載＋左側(cè)弧門推力＋預(yù)應(yīng)力.

工況4：自重＋預(yù)應(yīng)力.

工況5：自重＋水荷載＋左側(cè)弧門推力＋預(yù)應(yīng)力＋溫降.

2.5 計(jì)算方法

計(jì)算采用通用結(jié)構(gòu)分析程序ANSYS進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析，單元采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元.錨塊部位和閘墩表面沿主錨索C方向的結(jié)果分析，是按局部坐標(biāo)系x′－y′－z′給出的［2］.

2.6 單元網(wǎng)格劃分

依據(jù)確定的中墩計(jì)算范圍，對(duì)中墩整體進(jìn)行了有限元網(wǎng)格剖分.中墩有限元整體網(wǎng)格圖如圖1所示，錨塊局部網(wǎng)格剖分圖如圖2所示.

圖1 中墩有限元整體網(wǎng)格圖

圖2 錨塊局部網(wǎng)格圖

2.7 邊界條件

在中墩計(jì)算模型中，在4個(gè)側(cè)向地基表面分別施加與側(cè)面相垂直的剛性鏈桿約束，在底面施加豎向剛性鏈桿約束.其余結(jié)構(gòu)表面均為自由面.

2.8 計(jì)算結(jié)果分析

2.8.1 上游錨固端位置的選擇

在工況1無(wú)預(yù)應(yīng)力的情況下，中墩墩體左側(cè)表面σx等值線分布如圖3所示.從圖3可知，準(zhǔn)備選作錨固豎井和錨拉洞區(qū)域的部位已處于零應(yīng)力狀態(tài)，說(shuō)明選擇該部位作為錨固豎井區(qū)和錨拉洞區(qū)是合適的.

圖3 工況1下中墩墩體左側(cè)表面σx（kPa）分布圖

2.8.2 錨拉洞和錨固豎井的選擇

在工況4情況下，豎井方案墩體左側(cè)表面σx等值線分布如圖4所示，錨拉洞方案墩體左側(cè)表面σx等值線分布如圖5所示.從圖4和圖5可以看出，豎井方案和錨拉洞方案對(duì)閘墩關(guān)鍵部位支鉸區(qū)的影響基本一樣，而豎井方案比錨拉洞方案在閘墩上形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍略大.又由于相對(duì)于錨拉洞方案，豎井方案中預(yù)應(yīng)力施工操作空間大，便于二期混凝土工程施工，混凝土施工質(zhì)量容易得到保證，因此推薦采用豎井方案.

2.8.3 錨索布置和永存噸位的優(yōu)化

通過(guò)中墩5種工況下的錨固豎井方案的計(jì)算分析，在原錨索布置方案中，中墩支鉸區(qū)在工況3下的最大拉應(yīng)力達(dá)到了2 098kPa，超過(guò)了該區(qū)域C40混凝土的0.5倍抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（標(biāo)準(zhǔn)值為ftk＝2 450kPa）.為降低中墩支鉸區(qū)拉應(yīng)力，對(duì)原錨索布置情況及永存噸位進(jìn)行了調(diào)整.經(jīng)過(guò)對(duì)錨索擴(kuò)散角、布置形式、永存噸位進(jìn)行各種方案的計(jì)算分析，確定調(diào)整后的溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩錨索布置方案為：主錨索擴(kuò)散角由16°改為13°，單束主錨索的永存噸位由3 200kN改為3 900kN，拉錨系數(shù)為1.83，次錨索位置、噸位不變.2.8.4 閘墩主要部位的應(yīng)力分布（優(yōu)化后方案）

2.8.4.1 錨 塊

在各種工況下，除工況1沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力的情況外，錨塊部位的應(yīng)力在工況3條件下最不利，其他工況的應(yīng)力均好于工況3.

在工況2下，錨塊x′方向、z′方向基本處于受壓狀態(tài)，y′方向大部分區(qū)域處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力值較小，基本在300kPa以內(nèi).

在工況3下，錨塊x′方向、z′方向大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，x′方向在閘墩受力側(cè)與錨塊交接部位出現(xiàn)了一個(gè)寬40cm、高40cm的局部受拉區(qū)，最大拉應(yīng)力為1 295kPa（如圖6所示），略高于0.5 ftk，小于ftk.

圖6 錨塊上游面與推力方向剖面交線上的σx＇分布圖

2.8.4.2 閘墩支鉸區(qū)

在工況2下，閘墩支鉸區(qū)在靠近錨塊的小范圍（沿x′方向約1m，沿y′方向約1.7m，沿z′方向閘墩表面兩側(cè)深約0.3m）內(nèi)，存在x′方向的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值為400kPa，其他部位各方向基本處于受壓狀態(tài)或零應(yīng)力狀態(tài).

在工況3下，受力側(cè)閘墩支鉸區(qū)（沿x′方向約3.3m，沿y′方向約4.5m，沿z′方向閘墩表面兩側(cè)深約0.5m），存在x′方向的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值1485.1kPa（如圖7所示），大于0.5 ftk，小于ftk，最大拉應(yīng)力區(qū)域很小，為了結(jié)構(gòu)的耐久性考慮，應(yīng)適當(dāng)配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋；其他部位各方向基本處于受壓狀態(tài)或零應(yīng)力狀態(tài).

圖7 左側(cè)支鉸區(qū)表面與推力方向剖面交線上的σx′分布圖

2.8.4.3 錨固豎井區(qū)

在工況2下，錨固豎井在x方向和y方向均處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，在z方向出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力σz，局部最大拉應(yīng)力為194.17kPa.

在工況4下，錨固豎井左邊壁、右邊壁x方向出現(xiàn)了次生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力小于300kPa.錨固豎井中隔墻x方向的拉應(yīng)力最大值為852.83kPa，y方向基本處于受壓狀態(tài).z方向中隔墻部位產(chǎn)生了次生拉應(yīng)力，且局部拉應(yīng)力達(dá)到了2540.4kPa（如圖8所示），略高于ftk，因此，該區(qū)域應(yīng)按局部承壓設(shè)計(jì)配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋.

圖8 豎井下游面與墩體中心剖面交線上的σz分布圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算分析，確定了錨索上游錨固端位置和形式，優(yōu)化了預(yù)應(yīng)力錨索的布置形式和永存噸位，并對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行了計(jì)算分析，分析結(jié)果表明優(yōu)化后的方案滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求.

（1）閘墩支鉸區(qū)應(yīng)呈扇形配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋或敷設(shè)鋼板，以承擔(dān)最不利工況出現(xiàn)的大于0.5 ftk的拉應(yīng)力；預(yù)留錨固豎井內(nèi)角宜采用圓弧形光滑過(guò)渡，以盡量降低施工期因應(yīng)力集中產(chǎn)生的次生拉應(yīng)力；在閘墩根部適當(dāng)配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋，以便承受施工期和運(yùn)行期復(fù)雜的溫度作用及地震作用的影響.檢修門槽亦應(yīng)適當(dāng)配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋，以便承受檢修期檢修門推力.

（2）主錨索力施加時(shí)的張拉順序不同，將會(huì)在閘墩體內(nèi)產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài).設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)考慮先施加中部錨索預(yù)應(yīng)力，再同時(shí)對(duì)稱施加兩側(cè)錨索預(yù)應(yīng)力；且每束錨索應(yīng)采用分級(jí)施加的方法，以減小由于施加錨索力而對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的不利影響.

［1］ 孫志恒，劉致彬.預(yù)應(yīng)力厚閘墩的試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，1992（11）：52－57.

［2］ 唐克東，郭雪莽.巴貢水電站溢洪道預(yù)應(yīng)力閘墩三維有限元計(jì)算分析［R］.鄭州：華北水利水電學(xué)院，2004.

［3］ DL／T5057—1996，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ SL253—2000，溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Optimal Design for the Prestressed Pier of Hydropower Project

PEI Song－wei，TANG Ke－dong
（North Chian Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450008，China）

Three dimensional finite element analysis is adopted on the piers calculation of Hydropower Project.The place and the type of the tendons upstream end are discussed，the arrangement and permanent tonnage of the anchor groups are optimized.The results can provide refereuce for the same type frames.

spillway；prestressed pier；anchor group；anchorage block；permanent tonnage

TV314

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.02.013

1671－6906（2012）02－0058－04

2012－03－22

裴松偉（1979－），男，河南鄢陵人，碩士生.