預(yù)應(yīng)力中墩三維有限元靜力結(jié)構(gòu)分析

劉成浩,張新榮,程 振,徐遠(yuǎn)杰

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130021;2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

預(yù)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(yuǎn)杰2

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130021;2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

文中基于ABAQUS平臺(tái),以國(guó)內(nèi)某水電站錨塊式預(yù)應(yīng)力閘墩為工程背景,建立了預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)三維有限元整體模型.對(duì)該結(jié)構(gòu)在自重、揚(yáng)壓力以及水壓力等荷載作用下進(jìn)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(yù)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(jī)容量為600 MW,設(shè)計(jì)枯水年枯水期平均出力22.7萬(wàn)kW,多年平均發(fā)電量29.75億kW.h,年利用小時(shí)數(shù)4 958 h.水庫(kù)正常蓄水位為1015.00 m,總庫(kù)容0.912億m3,水庫(kù)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(kù)容91 200萬(wàn)m3,電站總裝機(jī)容量600 MW.根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》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(kù)特征水位見(jiàn)表1.

表1 泄洪閘上、下水庫(kù)特征水位

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,有限元分析中計(jì)算荷載說(shuō)明見(jiàn)表2,計(jì)算工況見(jiàn)表3.

表2 計(jì)算荷載說(shuō)明

表3 計(jì)算工況及荷載組合表

3 有限元模型

3.1 計(jì)算范圍與邊界條件

泄洪閘三維有限元計(jì)算模型包括泄洪閘混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力錨索及模擬錨具及相應(yīng)基礎(chǔ).計(jì)算范圍取樞紐總布置圖的第10號(hào)壩段作為研究對(duì)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(yàn)及本工程實(shí)際地質(zhì)條件,計(jì)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(jì)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(wèn)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(jì)算模型與網(wǎng)格剖分

有限元網(wǎng)格剖分中,預(yù)應(yīng)力預(yù)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(shí)際計(jì)算中10號(hào)壩段閘墩整體結(jié)構(gòu)計(jì)算單元總數(shù)為266 581,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為276 154.巨大的計(jì)算規(guī)?？梢杂行У乇ＷC結(jié)構(gòu)分析模型的計(jì)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(jiàn)表4.

表4 閘墩有限元計(jì)算網(wǎng)格單元類型及數(shù)目

4 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算成果

4.1 閘墩位移分析

10號(hào)壩段各計(jì)算工況下,閘墩位移峰值見(jiàn)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(yáng)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(jì)算結(jié)果看出,在工況1完建期工況下,順河向位移為負(fù)值,為2～3 mm,這是由于主錨施加預(yù)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(shí),弧門推力按弧門全關(guān)位置支座受力計(jì)算,與其他工況相比,此時(shí)所受到的弧門推力最大,閘墩壩體順河向水平位移UX也達(dá)到最大,10號(hào)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(lái),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(hào)壩段峰值為5.472 mm.工況3在弧門一開(kāi)一關(guān)泄洪時(shí),弧門推力的豎向分力垂直向下,開(kāi)門側(cè)溢流面上全程作用相應(yīng)的水壓重,此時(shí)閘墩壩體的豎向位移U2亦比較大,10號(hào)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(duì)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(duì)中墩而言(墩厚5.6m),墩兩邊為對(duì)稱荷載工況荷載時(shí),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(hào)壩段在工況2時(shí)為0.144 mm.當(dāng)閘墩弧門一開(kāi)一關(guān)工況時(shí),為閘墩兩側(cè)受力最不對(duì)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(kāi)門側(cè)變形,10號(hào)壩段在工況3時(shí)峰值為2.800 mm.

4.1 閘墩預(yù)應(yīng)力區(qū)應(yīng)力分析

混凝土應(yīng)力分布是預(yù)應(yīng)力效果的重要體現(xiàn),也是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)最重要的計(jì)算成果,混凝土結(jié)構(gòu)必須首先滿足一定范圍和量級(jí)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(yù)留平孔附近及上游的拉應(yīng)力消散區(qū)、預(yù)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(yù)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(gè)預(yù)應(yīng)力區(qū)向閘頂和底板逐漸消散.10號(hào)壩段各計(jì)算工況下,閘墩沿各方向應(yīng)力峰值見(jiàn)表6.

總的來(lái)看,閘墩整體拉應(yīng)力值均在抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之內(nèi),但在在閘墩尾部,閘墩頸部,平孔周圍這三個(gè)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(yù)留孔周圍,但范圍都很小.工況1下10號(hào)壩段中墩應(yīng)力峰值為3.995 MPa,此時(shí)錨索預(yù)應(yīng)力為超張拉噸位,大于其他工況.

閘室動(dòng)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(yǔ)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(méi)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(méi)有超過(guò)混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值.

5 結(jié)論

文中主要采用了有限元法,以ABAQUS為平臺(tái),對(duì)預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)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(jì)算結(jié)果可以得出,結(jié)構(gòu)總體具有足夠的強(qiáng)度和剛度的結(jié)論.

2)由于預(yù)應(yīng)力錨索張拉荷載和弧門推力的單獨(dú)或組合作用,主錨預(yù)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(yù)應(yīng)力效果的重要體現(xiàn),也是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)最重要的計(jì)算成果,分析表明利用預(yù)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(yù)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(yuǎn)杰,費(fèi)勝.水電站預(yù)應(yīng)力閘墩三維有限元分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2007(09).

[2]徐遠(yuǎn)杰,唐碧華.三板溪預(yù)應(yīng)力邊墩應(yīng)力與變形的三維有限元分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào).2005,22(3):52-55.

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

TV31 < class="emphasis_bold">[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

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2017-03-21