空腔錨塊式預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)研究

李樹山，高丹盈，解 偉

空腔錨塊式預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)研究

李樹山1，2，高丹盈1，解 偉2

（1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002；2.華北水利水電學(xué)院，鄭州 450011）

由于閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受頸部應(yīng)力狀態(tài)制約，預(yù)應(yīng)力技術(shù)成為改善大型弧門閘墩結(jié)構(gòu)受力性能的重要措施。錨塊結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)頸部受力的影響是大型弧門閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要問題。利用結(jié)構(gòu)仿真模型試驗(yàn)，以蒲石河電站排沙閘預(yù)應(yīng)力閘墩為例，研究了錨塊內(nèi)設(shè)置空腔引起的頸部抗裂性能、錨塊內(nèi)應(yīng)力分布的變化，討論了空腔錨塊對(duì)預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)受力性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型空腔式錨塊設(shè)計(jì)方案能夠有效地提高預(yù)應(yīng)力閘墩頸部的預(yù)壓效果，提高閘墩頸部抗裂性能。

預(yù)應(yīng)力閘墩；模型試驗(yàn)；空腔式錨塊；受力性能；預(yù)應(yīng)力錨束

1 研究背景

近年來，水利樞紐泄洪流量不斷增大，工作水頭不斷提高，弧門推力也越來越大，閘墩受力性能的影響也愈來愈復(fù)雜。大噸位弧門推力對(duì)閘墩受力性能的影響，已經(jīng)在許多大型弧門閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中得到充分重視［1］。弧形閘門的巨大推力通過支承結(jié)構(gòu)傳遞到閘墩，由于閘墩支承結(jié)構(gòu)多采用錨塊型式，錨塊下游沒有大體積混凝土結(jié)構(gòu)來分擔(dān)推力，因而造成錨塊和閘墩的連接部位（閘墩頸部）有明顯的應(yīng)力集中，在該處形成高拉應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致混凝土開裂［2］。此類大型弧形閘門的支承結(jié)構(gòu)，只有采用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)才能滿足閘墩結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行期間的抗裂或限裂要求［3］。

為了優(yōu)化錨塊內(nèi)及閘墩頸部的應(yīng)力分布，可在閘墩錨塊內(nèi)設(shè)置空腔來提高預(yù)應(yīng)力效果。錨塊內(nèi)空腔大小、位置的選取，對(duì)閘墩頸部及錨塊體內(nèi)應(yīng)力的影響一直是理論界及工程界關(guān)心的重點(diǎn)問題。許多學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行了理論分析與數(shù)值計(jì)算：李傳才、賀采旭等對(duì)預(yù)應(yīng)力閘墩的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，提出預(yù)應(yīng)力閘墩的開縫錨塊結(jié)構(gòu)型式，認(rèn)為這種錨塊型式改變了預(yù)加力的傳力路徑，增加了頸部的預(yù)壓應(yīng)力，提高了預(yù)應(yīng)力效果［4－5］；朱暾等采用有限元法分析了大推力預(yù)應(yīng)力閘墩頸部應(yīng)力分布，建議采用頸部開槽的結(jié)構(gòu)型式［6］；何兆升等在景洪水電站預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用平行布置錨索并在錨塊內(nèi)開設(shè)預(yù)留槽的新型預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)型式，通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，找出錨塊預(yù)留槽最佳位置，降低拉錨系數(shù)，提高錨索的預(yù)應(yīng)力利用效果［7］；司建輝等通過有限元計(jì)算得到閘墩頸部、錨塊空腔表面豎向及橫河向應(yīng)力分布狀態(tài)，并對(duì)預(yù)應(yīng)力閘墩錨塊空腔位置進(jìn)行優(yōu)化分析［8］。目前，針對(duì)空腔錨塊式預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)受力性能開展試驗(yàn)研究的資料很少，有必要對(duì)新型閘墩結(jié)構(gòu)形式受力規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文結(jié)合蒲石河抽水蓄能電站排沙閘預(yù)應(yīng)力閘墩工程，對(duì)空腔式錨塊閘墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模型試驗(yàn)研究，分析3種設(shè)計(jì)工況作用下新型閘墩的受力性能，提出了需要改進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議。

2 研究工程概況

蒲石河抽水蓄能電站排沙閘擋水采用的大型弧形工作門，孔口尺寸為14 m×20 m，弧門推力達(dá)到34 000 kN，閘墩厚4m，具有推力大、力臂長的特點(diǎn)，必須采用預(yù)應(yīng)力錨束來提高閘墩頸部抗裂能力。預(yù)應(yīng)力錨束由主錨束和次錨束共同組成，主錨束通常沿弧形閘門推力方向布置。同時(shí)在錨塊內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量與主錨束相互垂直的水平次錨束，減小由弧形閘門推力的彎曲作用在錨塊內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，改善錨塊內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。為了提高主錨束的預(yù)壓效果，設(shè)計(jì)中采用空腔式錨塊的技術(shù)方案，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 新型空腔式錨塊結(jié)構(gòu)型式Fig.1 New type prestressed pier w ith hollow anchor block

該結(jié)構(gòu)型式是通過在錨塊內(nèi)設(shè)置空腔，將主錨束的預(yù)壓力轉(zhuǎn)移到弧門推力的作用線附近，在閘墩頸部斷面外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力集中，改善閘墩頸部截面出現(xiàn)的外表面壓應(yīng)力不足、中部壓應(yīng)力富余的問題，可大大節(jié)省錨束用量。空腔的長度可根據(jù)弧門推力大小、預(yù)應(yīng)力錨束的噸位、數(shù)量以及施工工藝等來調(diào)整。錨束張拉結(jié)束后，將空腔回填，既不影響錨塊的整體性，又可保證回填混凝土不承受主錨束在張拉過程中產(chǎn)生的次生拉應(yīng)力，只承受弧門推力作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力。

3 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)仿真模型試驗(yàn)研究

3.1 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

根據(jù)閘墩原型的斷面尺寸，考慮模型成型的可行性、測試結(jié)果的精確性并兼顧試驗(yàn)設(shè)備能力等各方面因素，確定模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)的相似常數(shù)為1∶10。模型混凝土選用連續(xù)級(jí)配5～20 mm人工碎石配置，現(xiàn)澆成型，澆筑順序與施工方案相同。

模型構(gòu)造鋼筋選用φ6.5Ⅰ級(jí)光圓鋼筋，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy＝210 MPa，彈性模量Es＝2.1×105N／mm2。模型預(yù)應(yīng)力筋選用1 860級(jí)φ5的高強(qiáng)低松馳鋼絲，彈模Es＝1.91×105N／mm2，σb＝1 733 MPa，εb＝0.047 5。

模型閘墩結(jié)構(gòu)如圖2所示，預(yù)應(yīng)力錨束布置方案如圖3所示。

在模型閘墩關(guān)鍵部位外表面貼應(yīng)變花，閘墩內(nèi)部設(shè)置混凝土計(jì)，預(yù)應(yīng)力筋貼單片的箔式應(yīng)變片。其中，模型閘墩結(jié)構(gòu)頸部應(yīng)變測試點(diǎn)如圖4所示，錨塊表面應(yīng)變測試點(diǎn)如圖5所示。

3.2 模型結(jié)構(gòu)荷載加載方案

閘墩承受的荷載主要有弧門推力、結(jié)構(gòu)自重和側(cè)向水壓力。根據(jù)模型設(shè)計(jì)相似原理，模型承受的水壓力與原型相同，弧門推力應(yīng)為原型閘墩的1／100，采用2個(gè)100 t的千斤頂模擬施加弧門推力。結(jié)構(gòu)自重對(duì)結(jié)構(gòu)初始受力狀態(tài)的影響，利用施加的頂部荷載加以調(diào)整。單側(cè)弧門開啟時(shí)，側(cè)向水壓力采用分區(qū)域集中荷載等效代替。試驗(yàn)加載全景如圖6所示。

圖2 閘墩結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.2 Pier structuremodel

圖3 閘墩模型結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力錨束布置圖Fig.3 Layout of prestressed anchorage cables in themodel

圖5 錨塊上部應(yīng)變片分布圖Fig.5 Distribution of strain gauges on the anchor block

圖6 模型閘墩試驗(yàn)加載全景Fig.6 Photo of loading in themodel pier test

3.3 模型試驗(yàn)工況

工況1為施工期預(yù)應(yīng)力單獨(dú)作用；工況2為運(yùn)行期弧門雙側(cè)推力與預(yù)應(yīng)力聯(lián)合作用；工況3為運(yùn)行期弧門單側(cè)推力與預(yù)應(yīng)力聯(lián)合作用。

4 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 預(yù)應(yīng)力單獨(dú)作用下閘墩結(jié)構(gòu)受力特征

在預(yù)應(yīng)力作用下（工況1），閘墩頸部處于受壓狀態(tài)。從圖7中可以看出，閘墩頸部壓應(yīng)力呈扇形分布，靠近支鉸軸線部位的壓應(yīng)力大，遠(yuǎn)離支鉸軸線部位的壓應(yīng)力小。由于錨束的對(duì)稱布置，閘墩兩側(cè)產(chǎn)生的壓應(yīng)力呈對(duì)稱分布，沿預(yù)應(yīng)力筋方向的壓應(yīng)力最大值為－2.58 MPa，閘墩頸部的預(yù)壓應(yīng)力達(dá)到3 MPa左右。圖8中，在預(yù)應(yīng)力單獨(dú)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，為1.62 MPa，空腔上游跨中最大拉應(yīng)力為1.33 MPa，小于C40混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值?？梢娍涨坏脑O(shè)置，改變了錨塊內(nèi)受力途徑，優(yōu)化了錨塊受力條件。

圖7 工況1閘墩頸部X方向應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution in X direction at the pier neck in case 1

圖8 工況1錨塊表面正應(yīng)力分布圖Fig.8 Normal stress distribution on the anchor block surface in case 1

4.2 雙側(cè)推力與預(yù)應(yīng)力聯(lián)合作用下閘墩受力特征

在雙側(cè)弧門關(guān)閉作用下（工況2），閘墩及錨塊兩側(cè)應(yīng)力對(duì)稱分布，如圖9、圖10所示。在閘墩頸部出現(xiàn)小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，其余仍為壓應(yīng)力區(qū)。閘墩頸部拉應(yīng)力呈扇形分布，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨塊與閘墩頸部結(jié)合部的中間位置，沿主錨束方向最大正應(yīng)力為0.29 MPa，拉應(yīng)力區(qū)域在距離閘墩頸部的500 mm范圍內(nèi)（模型閘墩）。沿垂直于中間錨束方向向兩邊擴(kuò)展，拉應(yīng)力逐漸減??；隨著與錨塊距離的增大，拉應(yīng)力逐漸減小。在此工況中，盡管錨塊內(nèi)空腔回填二期混凝土，但由于雙側(cè)弧門推力與預(yù)應(yīng)力的疊加作用，錨塊表面拉應(yīng)力并未減小，最大拉應(yīng)力值為1.65 MPa。

圖9 工況2閘墩頸部X方向應(yīng)力分布圖Fig.9 Stress distribution in X direction at the pier neck in case 2

圖10 工況2錨塊表面正應(yīng)力分布圖Fig.10 Normal stress distribution on the anchor block surface in case 2

4.3 單側(cè)推力與預(yù)應(yīng)力聯(lián)合作用下閘墩受力特征

在閘墩一側(cè)關(guān)門另一側(cè)開啟時(shí)（工況3），閘墩頸部關(guān)門一側(cè)的拉應(yīng)力顯著增加，拉應(yīng)力區(qū)也擴(kuò)大了，對(duì)閘墩受力很是不利，成為閘墩設(shè)計(jì)的控制工況。對(duì)比圖11和圖9，可以看出閘墩頸部平均拉應(yīng)力增加3倍左右。這主要是單側(cè)門推力及另外一側(cè)水壓力作用下，閘墩結(jié)構(gòu)受到扭轉(zhuǎn)作用，閘墩頸部彎拉應(yīng)力增大造成的。閘墩頸部X方向最大拉應(yīng)力為1.74 MPa，低于C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足部分預(yù)應(yīng)力的拉應(yīng)力控制要求，該拉應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大到距離閘墩頸部1 500 mm范圍內(nèi)（模型閘墩）。在圖12中，錨塊空腔上下游邊緣處仍存在較大的拉應(yīng)力值，正應(yīng)力最大值為1.95 MPa，但在原型的運(yùn)行期，此空腔已經(jīng)回填混凝土，此部分的拉應(yīng)力會(huì)大大降低。

圖11 工況3中閘墩頸部X方向應(yīng)力分布圖Fig.11 Stress distribution in X direction at the pier neck in case 3

圖12 工況3中錨塊表面正應(yīng)力分布圖Fig.12 Normal stress distribution on the anchor block surface in case 3

5 結(jié) 論

本文對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩結(jié)構(gòu)新型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

（1）在錨塊內(nèi)設(shè)置空腔，改變了錨塊內(nèi)預(yù)應(yīng)力傳遞途徑，提高了閘墩頸部預(yù)壓效果；

（2）雙側(cè)門推力作用下，閘墩頸部最大拉應(yīng)力控制在0.5 MPa以內(nèi)，拉應(yīng)力區(qū)控制在距離頸部500 mm區(qū)域以內(nèi)（對(duì)應(yīng)原型結(jié)構(gòu)為5 m）；

（3）單側(cè)門推力作用下，推力側(cè)閘墩頸部拉應(yīng)力有了顯著增加，平均拉應(yīng)力為雙側(cè)門工況下的3倍左右，拉應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大到距離閘墩1 500 mm區(qū)域（對(duì)應(yīng)原型結(jié)構(gòu)為15 m），是預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制工況；

（4）受主錨束作用，錨塊空腔處出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，回填二期混凝土后，此處拉應(yīng)力會(huì)大大降低；

（5）模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在控制工況下頸部最大拉應(yīng)力滿足部分預(yù)應(yīng)力理論的拉應(yīng)力控制要求，但從提高閘墩頸部抗裂度的角度出發(fā)，建議在錨塊與頸部接觸部位適當(dāng)增加非預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量，提高閘墩頸部抗裂等級(jí)并增強(qiáng)錨塊與閘墩的整體性。

［1］ 趙長海.預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.（ZHAO Chang-hai.Prestressed Anchor Technology［M］.Beijing：China Water Power Press，2001.（in Chinese））

［2］ 劉俊柏，林可冀.預(yù)應(yīng)力閘墩技術(shù)及其在我國水電工程中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，1991，（5）：20－24.（LIU Jun-bai，LIN Ke-ji.Pre-stressed Pier Technology and Application to Hydropower Project in China［J］.Water Power，1991，（5）：20－24.（in Chinese））

［3］ 劉致彬，孫金剛.弧形門預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩的試驗(yàn)和設(shè)計(jì)［J］.水利學(xué)報(bào)，1994，（9）：88－92.（LIU Zhi-bin，SUN Jin-gang.The Designing and Model Test of Prestressed Concrete Pier for Large Arch Gate［J］.Hydro-Science and Engineering，1994，（9）：88－92.（in Chinese））

［4］ 賀采旭，李傳才，何亞伯.大推力預(yù)應(yīng)力閘墩的設(shè)計(jì)方法［J］.水利水電技術(shù)，1997，（6）：24－29.（HE Cai-xu，LIChuan-cai，HE Ya-bo.Study on the Design Method of Prestressed Concrete Sluice Bearing Large Pressure［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，1997，（6）：24－29.（in Chinese））

［5］ 李傳才，賀采旭，肖明俊.大推力弧門支座新結(jié)構(gòu)型式的研究［J］.水利水電技術(shù)，1993，（9）：43－46.（LI Chuan-cai，HE Cai-xu，XIAO Ming-jun.Research on New Structure Type Bearing of Large Arch Pier［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，1993，（9）：43－46.（in Chinese））

［6］ 朱 暾，邢貴碧.弧形閘門預(yù)應(yīng)力閘墩頸部開槽設(shè)計(jì)初探［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1994，（1）：18－26.（ZHU Tun，XING Gui-bi.Research on Neck Slotted Design of the Arch Pre-stressed Pier［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，1994，（1）：18－26.（in Chinese））

［7］ 何兆升，凌 云，李玲云，等.新型預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)在景洪水電站工程中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2008，（4）：50－52，64.（HE Zhao-sheng，LING Yun，LI Ling-yun，et al.Application of Improved Pre-stressed Anchor Block in Jinghong Hydropower Station［J］.Water Power，2008，（4）：50－52，64.（in Chinese））

［8］ 司建輝，簡 政，蒲 錳，等.預(yù)應(yīng)力閘墩錨塊空腔位置的優(yōu)化［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，（1）：43－45，50.（SI Jian-hui，JIAN Zheng，PU Meng，et al.Optimization of Anchor Cavity Position in Prestressed Pier Block［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2010，（1）：43－45，50.（in Chinese） ）

（編輯：劉運(yùn)飛）

M echanical Behavior of Prestressed Gate Pier w ith Hollow Anchor Block

LIShu-shan1，2，GAO Dan-ying1，XIEWei2
（1.School of Environment and Water Conservancy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China；2.North China Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China）

Since the design of gate pier is usually constrained by the stress condition at the neck，the prestress technique becomes an importantmeasure to improvemechanical behavior of the large-sized arch gate pier.One of the most important problems is the anchor block’s structure characteristic and its effect on the stress condition at the neck.Through structure simulation model test，we investigated the variations of crack resistance at the neck and stress distribution in the anchor block caused by setting a cavity in the anchor block，and discussed the effect of hollow anchor block on themechanical behavior of gate pier.The prestressed pier of Pushi River pumped storage power station was taken as a case study.The results showed that the design of the new type hollow anchor block could enhance the prestressed effect at the neck of the pier effectively，and improve the crack resistance of the neck.

prestressed pier；model test；hollow anchor block；mechanical behavior；prestressed cable

TV332；TV321

A

1001－5485（2012）12－0099－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.020 2012，29（12）：99－102，108

2012－02－20；

2012－03－21

國家自然科學(xué)基金（50779018）；河南省科技創(chuàng)新杰出人才項(xiàng)目（094200510011）；河南省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2009A570001）

李樹山（1977－），男，遼寧綏中人，副教授，博士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，（電話）0371－69127209（電子信箱）lishushan＠ncwu.edu.cn。