基于ANSYS的預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)布置研究

唐克東，孫留穎

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045)

近幾年來，我國在預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的張錨體系和施工工藝、材料和設(shè)備以及預(yù)應(yīng)力設(shè)計理論等方面積累了十分豐富的實踐經(jīng)驗，并進行了較深入的理論研究［1］.預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，通過實踐證明便于施工定位和縮短工期，在獲取更高的經(jīng)濟技術(shù)效益方面呈現(xiàn)出明顯優(yōu)勢［2］，故在水工結(jié)構(gòu)工程中的弧形閘門支墩錨固等部位得到了廣泛應(yīng)用［3］. 結(jié)構(gòu)選型過程中，所選類型應(yīng)考慮其自身強度、剛度、構(gòu)造上的要求，使各部位的尺寸合理［4］. 以往的計算大多采用彈性地基梁的方法進行，且認(rèn)為地基是無限均質(zhì)體，而有限元分析可以將地基和上部結(jié)構(gòu)統(tǒng)一劃分單元，從而使閘室地基協(xié)調(diào)一致、共同變形.有限元法實質(zhì)是一種在物理或工程問題的數(shù)學(xué)模型上進行近似數(shù)值計算的方法［5］.ANSYS 程序作為一個功能強大的設(shè)計分析及優(yōu)化軟件包，具有以下特點:①ANSYS 是完全的WINDOWS 程序，從而使應(yīng)用更加方便;②產(chǎn)品系列由一整套可擴展的、靈活集成的各模塊組成，因而能滿足各行各業(yè)的工程需要;③它不僅可以進行線性分析，還可以進行各類非線性分析;④它是一個綜合的多物理場耦合分析軟件，用戶不但可用其進行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體流動、電磁等的單獨研究，還可以進行這些分析的相互影響研究，例如:熱—結(jié)構(gòu)耦合，磁—結(jié)構(gòu)耦合以及電—磁—流體—熱耦合等.因泄洪閘墩及弧門支承牛腿承受弧門傳遞的較大水推力，加上閘墩內(nèi)預(yù)應(yīng)力主錨索和上游端錨固豎井的布置，以及支承牛腿內(nèi)次錨索的作用，使得閘墩和錨塊的結(jié)構(gòu)及受力更加復(fù)雜.因此，須通過三維有限元計算了解閘室段的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律.

1 計算模型

某泄洪閘為3 孔開敞式平底閘，孔口尺寸均為12.6 m×19.5 m.泄洪閘閘室段長49 m，設(shè)有2 個邊墩和2 個中墩，底板中間分施工縫.每孔閘設(shè)平板檢修閘門(3 孔共用一扇檢修門)和弧形工作門各一道，弧門支座牛腿為預(yù)應(yīng)力錨塊，在錨塊下部設(shè)一條永久縫，縫內(nèi)涂抹黃油. 弧門單支鉸最大推力14 500 kN［6］.主錨索立面布置如圖1所示.

圖1 主錨索立面布置圖

取1#泄洪閘為計算對象，沿壩軸線(垂直水流方向)按分縫選取(左側(cè)為左邊墩左邊界、右側(cè)為2#泄洪閘底板中縫)，基礎(chǔ)深度取一倍閘室高度50 m，基礎(chǔ)上、下游長度(順?biāo)鞣较?分別取30 m 和50 m，基礎(chǔ)沿壩軸線寬度同閘室.

4 個側(cè)向地基表面分別施加與側(cè)面相垂直的剛性鏈桿約束，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［7］.

圖2 泄洪閘三維有限元網(wǎng)格圖

2 計算結(jié)果與分析

2.1 錨 塊

在各種工況下，左墩錨塊部位的應(yīng)力工況1 最不利，工況6 與工況1 基本相同，其他工況下的應(yīng)力均好于工況1.工況1 下σx'拉應(yīng)力區(qū)域從閘墩表面

在正常蓄水位1 436.00 m 時，工作弧門單支鉸最大荷載14 500 kN;自重荷載按體積考慮;預(yù)應(yīng)力荷載均按永存噸位考慮，主錨索永存噸位3 000 kN，拉錨比2.07，次錨索永存噸位2 400 kN;縫內(nèi)水壓力分為一道止水上、下游水位和兩道止水內(nèi)外有無水兩種情況;閘室側(cè)向水壓力包括閘墩內(nèi)外側(cè)向水壓力;溫度荷載按結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度均勻降低11.6 ℃考慮.計算分9 種工況，見表1.單元網(wǎng)格劃分如圖2—3 所示.沿z'方向向閘墩內(nèi)延伸0. 675 m，最大拉應(yīng)力為3 172.9 kPa，如圖4所示. σy'方向的拉應(yīng)力基本在300 kPa 以內(nèi).σz'方向的最大拉應(yīng)力為1 656 kPa.

圖3 泄洪閘錨塊有限元網(wǎng)格圖

右墩錨塊部位的應(yīng)力工況2 最不利.工況2 下σx'拉應(yīng)力區(qū)域從閘墩表面沿z'方向向閘墩內(nèi)延伸0.52 m，最大拉應(yīng)力為2 246.7 kPa.

表1 泄洪閘計算工況

圖4 左墩錨塊上游面與泄洪閘孔中心線剖面交線σx'變化圖

2.2 閘墩支鉸區(qū)

在各種工況下，左墩支鉸區(qū)的應(yīng)力工況1 最不利，工況6 與工況1 基本相同，其他工況各方向均好于工況1，基本為壓應(yīng)力.工況1 下在靠近錨塊上游面3.98 m 長度范圍內(nèi)的閘墩支鉸區(qū)出現(xiàn)了σx'拉應(yīng)力，最大值為3 262.2 kPa，如圖5所示.σy'方向的最大拉應(yīng)力基本為227.18 kPa.σz'方向的最大拉應(yīng)力為1 656 kPa.

右墩支鉸區(qū)的應(yīng)力工況2 最不利，工況7 與工況2 基本相同，其他工況出現(xiàn)的σx'拉應(yīng)力均小于工況2.工況2 下在靠近錨塊上游面2.98 m 長度范圍內(nèi)的閘墩支鉸區(qū)出現(xiàn)了σx'拉應(yīng)力，最大值為2 423.4 kPa.

圖5 左墩右側(cè)面與泄洪閘孔中心線剖面在閘墩錨索長度范圍內(nèi)交線σx'變化圖

2.3 閘墩根部

工況5 下左閘墩左側(cè)根部出現(xiàn)了σy拉應(yīng)力，最大值在600 kPa 以內(nèi)，如圖6所示.

在設(shè)計洪水和校核洪水情況下，一道止水時左閘墩根部基本處于受壓狀態(tài);兩道止水時閘墩根部x，y，z 三個方向都出現(xiàn)了拉應(yīng)力，σy拉應(yīng)力最大，其值為7 435.1 kPa，超出了混凝土的抗拉強度而無法滿足抗裂設(shè)計要求［8］.因此，兩道止水方案不可取.

在設(shè)計洪水和校核洪水情況下，一道止水時右閘墩根部處于受壓狀態(tài);兩道止水時閘墩根部x，y，z三個方向都出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，σy拉應(yīng)力最大，其值為1 910.6 kPa.

圖6 工況5 左邊墩左側(cè)σy 等值線圖(單位:kPa)

3 結(jié) 語

1)泄洪閘正常運用時，閘墩施加預(yù)應(yīng)力可有效消除弧門推力在閘墩及錨塊上產(chǎn)生的拉應(yīng)力. 當(dāng)泄洪閘、廠房永久結(jié)構(gòu)縫設(shè)置一道止水時，閘墩根部、檢修門槽、頂部連接板等部位的混凝土應(yīng)力狀態(tài)滿足設(shè)計控制要求.左墩錨塊部位的應(yīng)力最大拉應(yīng)力為3 172. 9 kPa，閘墩支鉸區(qū)拉應(yīng)力最大值為3 262.2 kPa，閘墩支鉸區(qū)及錨塊局部存在大于C40混凝土抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度的拉應(yīng)力，不能完全滿足設(shè)計要求.建議在結(jié)構(gòu)布置允許的情況下作進一步調(diào)整.

2)當(dāng)泄洪閘、廠房永久結(jié)構(gòu)縫設(shè)置兩道止水時，閘墩尤其是左墩內(nèi)側(cè)閘墩與底板交接線上部區(qū)域存在較大的拉應(yīng)力，不能滿足閘墩混凝土抗裂設(shè)計要求.因此，設(shè)計不應(yīng)采用兩道止水方法.

［1］黎軍.蘇北平原某水閘閘墩混凝土開裂主導(dǎo)因素的定量分析［J］. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2009，30(6):47－50.

［2］趙順波，張學(xué)朋，李曉克. 壓力隧洞高效預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌的設(shè)計與應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2008，29(1):24－27.

［3］鄭小平，熊增生，徐倩，等.四川橫江萬年橋水電站泄洪沖砂閘門制造及施工技術(shù)［J］. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2011，32(1):23－26.

［4］陳霞，丁正中，楊光，等.大跨度液壓上翻轉(zhuǎn)式閘門的研究與應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31(6):19－22.

［5］彭成山，袁淮中，王甜. 南水北調(diào)工程七里河水閘的三維有限元分析［J］. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31(3):12－13，18.

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

［7］中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司. SL 212—2012水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［8］水利部長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院. SL 191—2008 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2008.