水利工程中水閘閘墩結構計算的分析與探討

梅海州

(新疆生產建設兵團勘測規(guī)劃設計研究院,烏魯木齊 830002)

1 前 言

近年來,在大型水利樞紐建筑物中,為解決弧門水推力大、閘墩布筋困難這一難題,水工閘墩逐漸開始采用預應力混凝土支承結構形式。預應力混凝土結構借高強度鋼絲束施加預應力將弧門支承體與閘墩連接,在錨束作用范圍內產生預壓應力來平衡弧門水推力產生的拉應力。

盡管預應力閘墩已被廣泛應用,但是其結構設計也沒有固定的計算形式,各個工程采用不同的結構設計方法,因而其設計結果也各不相同。筆者在總結了大量預應力閘墩設計工程實踐經驗的基礎上,提出了預應力閘墩結構設計的總體步驟以及設計中需重點考慮的問題,為工程設計技術人員提供參考。

2 預應力閘墩結構設計總體思路

首先從弧門水推力大小、結構強度、變形、裂縫控制、運用要求、施工條件、技術經濟等方面進行綜合分析,以確定是否有采用預應力的必要性;然后開始預應力閘墩的設計。當論證是否采用預應力閘墩時,可以按照規(guī)范或通過計算來比較分析。

根據規(guī)范,弧門水推力＞35 000 k N的就可采用預應力式閘墩。另外,為了論證采用預應力技術的必要性,可以將常規(guī)混凝土閘墩與預應力式閘墩結構兩種方案分別進行有限元計算來比較論證。

3 預應力閘墩結構設計中需重點考慮的幾個問題

預應力閘墩結構設計總體步驟中包含著需要設計人員重點考慮的問題。如弧門支承體結構選型問題、閘墩結構預應力度表示方法和選擇標準問題、如何合理布置預應力錨束的問題、配筋時預應力筋和非預應力筋的比例問題、部分預應力閘墩裂縫成因以及如何控制等方面。

3.1 弧門支承體結構選型問題

大型預應力閘墩弧門支承結構由閘墩體與弧門支承體兩部分組成,并通過頸部連成一整體。支承體作為弧形門支座,是傳遞弧門水推力的機構。閘門所受水壓力便通過弧門支承體傳到閘墩上,再通過錨系鋼筋或構件傳到閘墩的上游部分。弧門支承體結構形式和尺寸大小對閘墩和支承體本身應力狀態(tài)的影響作用很大,它關系到能否改善閘墩受力狀態(tài)和提高閘墩預應力效果。

工程設計中,在弧門支承體結構選型問題上,各個工程應根據不同的泄水孔的結構特點和工程地質條件等因素,通過對比分析多種弧門支承體形式來選取合適的弧門支承體。目前,我國工程實踐中。大型弧門預應力混凝土支承體的結構型式主要有牛腿或懸臂深梁、錨塊及跨孔口深梁等幾種類型。各種支承體結構型式的特點及適用場合如下:懸臂梁和錨塊均屬于深梁懸臂,只是在外形上有所差別,前者為簡單的四邊形狀,后者為復雜的不規(guī)則多邊形的立方體。采用錨塊形式主要是為了改善錨塊內部應力和減少阻水作用;且采用錨塊形式較為經濟。當閘室泄洪孔口為大跨度、多孔口結構,整個閘室處于壩體上或地質條件較好的基巖上時,為使結構體形簡單,方便施工,可考慮采用錨塊式支承體結構。

近年來,為提高錨束的預應力效果,改善支承結構應力狀態(tài),工程設計和研究人員開始研究多種新型支承體結構。如朱暾等提出在頸部開槽的新結構型式,該新型結構能顯著降低預應力閘墩拉錨系數,能明顯改善頸部的應力分布狀態(tài),增大預應力的抗裂效果;另賀采旭等提出在簡單錨塊中預留一條很薄夾縫的新錨塊形式(簡稱開縫錨塊),這種開縫錨塊改變了預應力的傳力路徑,增加了頸部兩側的預壓應力,提高了預應力效果,節(jié)省了預應力錨束的數量。

經過上述多種支承體形式比較分析,可以選取適合各個工程的支承體形式。當支承體形式確定之后,接下來應著重研究其截面形狀和截面大小。支承梁的形狀和大小主要由弧門推力大小、主次錨索布置及錨索的作用效果等因素決定。確定截面尺寸的過程同以后的錨索布置過程相輔相成,它們需要經過反復試驗和計算才能確定。模型試驗、有限元計算等,成為這一過程中有力的輔助手段。具體過程為:初擬支承體截面尺寸——進行模型試驗或計算分析①初擬錨索布置——進行模型試驗或計算分析,②調整支承體截面尺寸(或進行分縫研究)和錨索布置——進行模型試驗或計算分析,③如此反復,最終選取一較優(yōu)的支承體截面尺寸大小。

3.2 合理布置預應力錨束

預應力閘墩在弧門推力和預應力錨束共同作用下,結構的受力狀態(tài)十分復雜。預應力錨束布置得合理與否,將直接影響弧門支承體結構性能和預應力效果。如何合理地、經濟地布置預應力錨束,必須仔細考慮。

閘墩主錨束的布置方式主要考慮通過主錨束施加預應力后,能有效地抵消弧門推力在頸部所產生的拉應力,并使主錨束預應力有效地擴散到閘墩內。在立面上,工程實踐中大都使其與弧門水推力合力方向一致,使預應力的壓應力更好地抵消由荷載產生的拉應力,以達到有效和經濟的要求;同時,為使弧門支鉸區(qū)附近閘墩內的集中應力得以擴散,主錨束多呈扇狀形布置,擴散角一般取為 5°～15°,以使閘墩內應力最大限度地均化,滿足設計規(guī)定的要求。

為減少拉錨系數值,減少預應力筋布置比例,還需要考慮預應力錨束布置位置對拉錨系數的影響。預應力錨索布置位置不同,在頸部產生的預壓應力分布將有較大的區(qū)別。預應力錨束布置在閘墩中部,在頸部產生的預壓應力是中部大,兩側小,對抵消閘墩表層高拉應力極為不利;預應力錨束布置在兩側,在頸部產生的預壓應力是中部小,兩側大,這對抵消閘墩表面高拉應力較為有利。因此,設計時該優(yōu)先考慮將預應力錨束布置在兩側,以降低拉錨系數。一般地,閘墩和支承體在受到弧門水推力和主錨束張拉力的作用下,在垂直于主錨束方向會出現較大范圍和較大量值的次生拉應力。為了抵消這部分次生拉應力對支承體結構產生的不利影響,改善支承體的應力狀況,通常在閘墩體和支承體內布置適當的水平次錨束。

3.3 配筋時預應力筋和非預應力筋的比例問題

部分預應力混凝土是采用預應力筋與非預應力鋼筋混合配筋的結構,它兼有全預應力混凝土和普通鋼筋混凝土的優(yōu)點。主預應力筋配置是為了有效抵消弧門推力在頸部產生的拉應力,并將預壓應力盡量擴散到閘墩體內。非預應力筋主要配置在一些可能出現裂縫的部位,以限制裂縫的發(fā)展。在允許開裂情況下,預應力筋和非預應力筋基本上都是按應力圖形配置,但往往需要幾次反復比較才能得到預應力錨束和非預應力鋼筋面積的最優(yōu)比例。

3.4 部分預應力閘墩裂縫成因以及控制措施

由于閘墩體內外溫差、混凝土的干縮、應力集中和地基不均勻沉降等原因,閘墩肯定會產生裂縫。即使閘墩按全預應力設計,其裂縫的產生也不可避免。

針對這些原因及影響因素,從材料、溫度控制、施工方法與工藝和養(yǎng)護等方面采取措施,以達到防止和控制裂縫的效果。設計時應根據氣溫情況采取相應的溫控和防裂措施。如果單純地配溫度筋不能經濟合理地限制裂縫開展,可從結構和施工方面采取措施。荷載應力主要是由于支承體承受傳來的巨大弧門推力,使其下游邊發(fā)生變形從而產生較大的拉應力,支承體混凝土體積小,不足以抵抗較大荷載作用,就有可能產生貫穿性的裂縫。針對這種原因產生的裂縫,可在支承體內設垂直向預應力次錨束,給予預壓,既可防止裂縫進一步擴展,也可減少支鉸推力產生的拉應力,避免形成新的裂縫。

4 結 語

本文主要探討了預應力閘墩結構設計的思路以及需重視的幾個關鍵問題。這幾個關鍵問題的解決與否,直接關系到能否成功設計一個既安全可靠,又經濟合理的預應力閘墩結構。

[1] 東北勘測設計研究院.D L/T5176-2003水電工程工預應力錨固設計規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2003.

[2] 趙長海.預應力錨固技術[M].北京:水利水電出版社,2001.

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