蒲石河水庫預應力閘墩模型受力狀態(tài)研究

溫中華，閆 飛，解 偉

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

蒲石河水庫預應力閘墩模型受力狀態(tài)研究

溫中華1，閆 飛2，解 偉1

（1.華北水利水電學院土木與交通學院，鄭州 450011；2.河南省農(nóng)業(yè)科學院，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)的鋼筋混凝土結構不能滿足強度和剛度方面的要求。針對這個特點，建立預應力空腔式錨塊閘墩模型來模擬閘墩在幾種工況下的應力，并對結果進行了詳細分析。結果顯示計算模型可以真實地反映物理模型的應力應變狀態(tài)。計算結果為蒲石河抽水蓄能電站預應力閘墩設計及施工提供了重要的依據(jù)。

預應力錨束；閘墩模型；空腔式錨塊；有限元；應力

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，三維有限元分析技術在大型結構的設計中所起的作用越來越重要，成為設計的重要輔助手段，并且三維有限元分析技術有傳統(tǒng)的模型試驗不可比擬的可重復性、經(jīng)濟性等優(yōu)點，所以在蒲石河抽水蓄能電站下水庫泄洪排沙閘預應力閘墩中墩模型試驗時，進行了大量的模型三維有限元計算分析，以配合補充模型試驗結果。

1 閘墩的有限元計算模型

1.1 有限元模型建立、剖分

有限元計算模型嚴格參照模型試驗設計建立，模型部分橫河向以閘墩底邊軸線為對稱軸，兩邊各取9 m，順河取閘墩的實際長度43.5 m，模型為實際尺寸的1／10。其細部結構見參考文獻［1］，并進行有限元網(wǎng)格剖分［1～3］。模型有限元計算模型共剖分近67 000個單元（見圖1）。

圖1 蒲石河抽水蓄能電站預應力閘墩模型試驗模型有限元剖分圖Fig.1 The finite element of prestressed piermodel of Pushi River Pumped Storage Power Station

1.2 材料計算參數(shù)

計算參數(shù)按照《水工混凝土結構設計規(guī)范SL／T 191-96》［4］與《水工建筑物荷載設計規(guī)范DL 5077-1997》［5］中規(guī)定的C40混凝土的指標選取，結果見表1。

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

1.3 模型計算基本假定

（1）閘室混凝土及基礎結構材料符合小變形情況下的線彈性基本假定，即按線彈性理論進行結構體有限元計算分析。

（2）弧門推力，預應力錨束力參照模型試驗方法按照集中力進行模擬，附加自重按照均布力進行模擬。

1.4 結構坐標系

模型的建立采用整體直角坐標系，順水流向為x軸，水平指向下游為正；豎直方向為y軸，豎直向上為正；垂直水流向為z軸，正向由右手螺旋法則確定。

1.5 邊界條件假定

根據(jù)模型試驗的實際情況，取堰體底面為固定端，其余結構面均為自由面。為提高預應力錨束的預壓效果，需在錨塊底部與閘墩接觸部位設置彈性墊層。錨塊底部與閘墩采用隔離方式，二者之間不傳遞拉應力［6］。

1.6 計算工況及荷載組合

根據(jù)模型試驗研究方案，模型計算考慮的荷載和計算工況如下：

（1）施工期荷載組合（工況一）。結構自重+主錨束張拉力（張拉噸位）+次錨束張拉力（張拉噸位）。

（2）雙側關門——對稱荷載（工況二）。結構自重+雙側弧門推力+主錨束張拉力（永存噸位）+次錨束張拉力（永存噸位）。

（3）一側開門一側關門——非對稱荷載（工況三）。結構自重+單側弧門推力+主錨束張拉力（永存噸位）+次錨束張拉力（永存噸位）+側向過水壓力。

其中加載荷載數(shù)值為：①結構附加自重根據(jù)計算為1 280 kN；②單側弧門推力為170 kN；③主錨束張拉力為70 kN；④次錨束張拉力為38.3 kN；⑤單側過水力見表2。

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

2 計算結果及分析

2.1 施工期工況計算結果及分析

由圖2、圖3可以看出，施加預應力后，錨塊部位受力較復雜，在主次錨束共同作用下，錨塊空腔上下游均產(chǎn)生較大的拉應力。最大拉應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力，最大拉應力，即第一主應力最大值約4 MPa，空腔中間處z＇向正應力最大值為2.46 MPa。

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

2.2 雙側關門荷載作用下計算結果及分析

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

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

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

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

2.3 單側關門荷載作用下計算結果及分析

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

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

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

3 結 論

由以上計算結果可得出如下結論：

（1）由于預應力筋的采用對閘墩頸部的受力較有利，此部位在3種工況下雖有較大應力出現(xiàn)，但一般在結構允許的范圍之內(nèi)或是作用范圍較小，對結構整體影響不大；

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

本項目的研究計算成果為預應力閘墩的結構配筋提供參考，為新型預應力閘墩和空腔式錨塊的設計提供了理論依據(jù)。

［1］ 解 偉.蒲石河抽水蓄能電站下水庫泄洪排沙閘預應力閘墩結構模型試驗研究報告［R］.鄭州：華北水利水電學院，2008.

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

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

［4］ 譚建國.使用ANSYS6.0進行有限元分析［M］.北京：北京大學出版社，2002.

［5］ SL／T 191-96，水工混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［6］ DL 5077-1997，水工建筑物荷載設計規(guī)范［S］.

［7］ 夏世法.尼爾基水利樞紐預應力閘墩有限元計算研究報告［R］.北京：中國水利水電科學研究院，2003.

［8］ 張家宏.蒲石河抽水蓄能電站下水庫泄洪排沙閘預應力閘墩有限元計算研究報告［R］.北京：中國水利水電科學研究院，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，主要從事水工結構可靠度教學與研究，（電話）13938488060（電子信箱）wzhzhonghua＠126.com。