劉成浩,張新榮,程 振,徐遠杰

(1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司,吉林 長春 130021;2.武漢大學土木建筑工程學院,湖北 武漢 430072)

預應(yīng)力中墩三維有限元靜力結(jié)構(gòu)分析

劉成浩1,張新榮1,程 振1,徐遠杰2

(1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司,吉林 長春 130021;2.武漢大學土木建筑工程學院,湖北 武漢 430072)

文中基于ABAQUS平臺,以國內(nèi)某水電站錨塊式預應(yīng)力閘墩為工程背景,建立了預應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)三維有限元整體模型.對該結(jié)構(gòu)在自重、揚壓力以及水壓力等荷載作用下進行了靜力分析,分析了控制工況下閘墩應(yīng)力、位移分布規(guī)律,總結(jié)出重要部位產(chǎn)生拉應(yīng)力的主要原因.

預應(yīng)力閘墩;三維有限元;應(yīng)力位移分析

1 工程背景

某水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi),距上游二灘水電站大約18 km,距雅礱江與金沙江匯口15 km,是以發(fā)電為主的綜合利用水利樞紐,兼有下游綜合用水要求.電站裝機容量為600 MW,設(shè)計枯水年枯水期平均出力22.7萬kW,多年平均發(fā)電量29.75億kW.h,年利用小時數(shù)4 958 h.水庫正常蓄水位為1015.00 m,總庫容0.912億m3,水庫具有日調(diào)節(jié)性能.

泄洪閘采用弧形鋼閘門擋水,弧形閘門尺寸為10.60X22.32 m(寬X高).水電站最大閘高60.00 m,總庫容91 200萬m3,電站總裝機容量600 MW.根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》的規(guī)定,該工程屬大(2)型工程,工程等別為二等.

2 基本資料

2.1 特征水位

泄洪閘上、下游水庫特征水位見表1.

表1 泄洪閘上、下水庫特征水位

2.2 計算工況

根據(jù)設(shè)計要求,有限元分析中計算荷載說明見表2,計算工況見表3.

表2 計算荷載說明

表3 計算工況及荷載組合表

3 有限元模型

3.1 計算范圍與邊界條件

泄洪閘三維有限元計算模型包括泄洪閘混凝土結(jié)構(gòu)、預應(yīng)力錨索及模擬錨具及相應(yīng)基礎(chǔ).計算范圍取樞紐總布置圖的第10號壩段作為研究對象,分析該壩段閘墩重要結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)力變形情況.根據(jù)一般工程經(jīng)驗及本工程實際地質(zhì)條件,計算模型的基礎(chǔ)選取范圍考慮結(jié)構(gòu)特征尺寸的1～2倍[1].計算模型范圍取為:順河向閘上0-045.00 m～閘下0+105.00 m;橫河向閘左0-030.00 m～閘左0-090.00 m;鉛直向▽900 m～閘頂(▽1020.00 m).

基礎(chǔ)底邊均視為固定邊界,基礎(chǔ)上下游邊界及基礎(chǔ)左右邊按平面應(yīng)變問題處理,即基礎(chǔ)底邊約束全部位移,基礎(chǔ)上下游邊約束水平順河向(X向)位移,基礎(chǔ)兩側(cè)邊約束沿壩軸線水平(Z向)位移.

3.2 計算模型與網(wǎng)格剖分

有限元網(wǎng)格剖分中,預應(yīng)力預留施工平孔周邊、錨頭、混凝土錨塊、溢流表面、門槽等結(jié)構(gòu)部位的網(wǎng)格剖分加密,以適應(yīng)這些部位應(yīng)力梯度較大的要求[2].實際計算中10號壩段閘墩整體結(jié)構(gòu)計算單元總數(shù)為266 581,節(jié)點總數(shù)為276 154.巨大的計算規(guī)模可以有效地保證結(jié)構(gòu)分析模型的計算精度.各結(jié)構(gòu)部位和相應(yīng)巖石基礎(chǔ)的單元類型和單元總數(shù)見表4.

表4 閘墩有限元計算網(wǎng)格單元類型及數(shù)目

4 預應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)靜力計算成果

4.1 閘墩位移分析

10號壩段各計算工況下,閘墩位移峰值見表5.

表5 閘墩位移峰值 mm

閘墩堰前的靜水壓力、弧門推力沿順河向分力以及揚壓力和地基材料不均勻性共同引起的地基不均勻變形是引起閘墩順河向位移的主要原因.由計算結(jié)果看出,在工況1完建期工況下,順河向位移為負值,為2～3 mm,這是由于主錨施加預應(yīng)力引起的.其他工況下,順河向位移均為正值,最大位移均發(fā)生在閘墩頂端,且由高程自上到下逐漸減小.在工況2正常蓄水位弧門全關(guān)不泄洪時,弧門推力按弧門全關(guān)位置支座受力計算,與其他工況相比,此時所受到的弧門推力最大,閘墩壩體順河向水平位移UX也達到最大,10號壩段峰值為2.526 mm.

閘墩自重、閘墩溢流面水壓重、弧門推力的垂直向分力、啟閉支座力垂直向分力是引起閘墩垂直向位移的主要原因.整體看來,各工況下閘墩垂直向最大位移均發(fā)生在閘墩首部,在4～6 mm左右.工況1完建期下,兩壩段垂直向位移均為最大,10號壩段峰值為5.472 mm.工況3在弧門一開一關(guān)泄洪時,弧門推力的豎向分力垂直向下,開門側(cè)溢流面上全程作用相應(yīng)的水壓重,此時閘墩壩體的豎向位移U2亦比較大,10號壩段峰值為4.605 mm.

側(cè)水壓力、弧門推力沿壩軸線Z向的分力和邊墩不對稱的主錨拉力是引起閘墩頂部沿壩軸向(Z向)水平位移的主要原因.對中墩而言(墩厚5.6m),墩兩邊為對稱荷載工況荷載時,所引起沿壩軸線向水平位移相互抵消了,所以沿壩軸線位移U3一般比較小,10號壩段在工況2時為0.144 mm.當閘墩弧門一開一關(guān)工況時,為閘墩兩側(cè)受力最不對稱工況,所以閘墩頂部沿壩軸線方向的水平位移U3較大,且向開門側(cè)變形,10號壩段在工況3時峰值為2.800 mm.

4.1 閘墩預應(yīng)力區(qū)應(yīng)力分析

混凝土應(yīng)力分布是預應(yīng)力效果的重要體現(xiàn),也是預應(yīng)力結(jié)構(gòu)最重要的計算成果,混凝土結(jié)構(gòu)必須首先滿足一定范圍和量級的壓應(yīng)力分布條件,否則,必須修改主錨和次錨的布置或修改噸位[3].閘墩推力方向正應(yīng)力從上游至下游,分布規(guī)律為預留平孔附近及上游的拉應(yīng)力消散區(qū)、預應(yīng)力區(qū)、頸部拉壓局部應(yīng)力區(qū)和尾部拉應(yīng)力區(qū).在預應(yīng)力區(qū)中,壓應(yīng)力區(qū)、平孔、錨頭、頸部壓應(yīng)力較大,中間區(qū)域變小;整個預應(yīng)力區(qū)向閘頂和底板逐漸消散.10號壩段各計算工況下,閘墩沿各方向應(yīng)力峰值見表6.

總的來看,閘墩整體拉應(yīng)力值均在抗拉強度設(shè)計值之內(nèi),但在在閘墩尾部,閘墩頸部,平孔周圍這三個部位出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力值.豎向拉應(yīng)力峰值仍然是出現(xiàn)在頸部與錨塊相交處,預留孔周圍,但范圍都很小.工況1下10號壩段中墩應(yīng)力峰值為3.995 MPa,此時錨索預應(yīng)力為超張拉噸位,大于其他工況.

閘室動水壓力和弧門推力橫河向分力是影響閘墩橫河向正應(yīng)力的主要因素.橫河向正應(yīng)力高峰主要集中在閘墩頸部,平孔周邊,啟閉支座附近,閘墩和底板交界處.閘墩Z方向拉應(yīng)力高峰也主要集中在閘墩尾部,底板尾部流道,平孔周邊和胸墻尾部.若閘墩有大的弧門推力橫河向分力則正應(yīng)力峰值發(fā)生在頸部,若有很大的側(cè)向水壓力則發(fā)生在閘墩與底板交界處,若弧門推力橫河向分力不夠大或閘室橫河向受到一定限制則發(fā)生在啟閉支座附近,若以上三種力均沒有則發(fā)生在平孔周邊.

表6 閘墩正應(yīng)力峰值及分布

整體上看閘墩大部分區(qū)域的應(yīng)力較小,沒有超過混凝土設(shè)計標準值.

5 結(jié)論

文中主要采用了有限元法,以ABAQUS為平臺,對預應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)進行了靜力應(yīng)力應(yīng)變分析,得到如下結(jié)論:

1)在線彈性計算中得到了典型工況下結(jié)構(gòu)整體位移、變形和結(jié)構(gòu)重要部位的應(yīng)力分布規(guī)律,從計算結(jié)果可以得出,結(jié)構(gòu)總體具有足夠的強度和剛度的結(jié)論.

2)由于預應(yīng)力錨索張拉荷載和弧門推力的單獨或組合作用,主錨預留平孔周邊、閘墩錨塊頸部、閘墩尾部等局部混凝土出現(xiàn)淺表層的高拉應(yīng)力區(qū).

3)混凝土應(yīng)力分布是預應(yīng)力效果的重要體現(xiàn),也是預應(yīng)力結(jié)構(gòu)最重要的計算成果,分析表明利用預壓應(yīng)力可以明顯改善閘墩頸部區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài),中墩錨束在頸部產(chǎn)生的預壓應(yīng)力可以很好地抵消兩側(cè)弧門所產(chǎn)生的拉應(yīng)力.

[1]潘家軍,徐遠杰,費勝.水電站預應(yīng)力閘墩三維有限元分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2007(09).

[2]徐遠杰,唐碧華.三板溪預應(yīng)力邊墩應(yīng)力與變形的三維有限元分析[J].長江科學院院報.2005,22(3):52-55.

[3]傅繼濤,陳星云等.葛洲壩水利樞紐閘墩預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計[C].大型預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)工程實踐論文集.北京:1986.

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