不同U型錨索布置對預(yù)應(yīng)力閘墩應(yīng)力與變形的影響

王浩杰， 劉曉青

(河海大學 水利水電學院， 南京 210098)

1 研究背景

隨著混凝土高拱壩的泄洪量不斷增大，相應(yīng)的孔口尺寸與弧門推力也隨之增大。巨大的弧門推力作用到弧門支撐體上，在閘墩兩側(cè)和頸部產(chǎn)生大面積的拉應(yīng)力區(qū)。而大噸位預(yù)應(yīng)力錨索是解決閘墩承受大推力的有效措施，能夠明顯改善閘墩的應(yīng)力狀態(tài)，確?？卓诎踩\行[1-5]。

對于泄水閘墩，由于預(yù)應(yīng)力主錨索在閘墩大梁處產(chǎn)生沿大梁方向的次生拉應(yīng)力，還需要沿大梁方向布置次錨索，所以預(yù)應(yīng)力閘墩的錨索布置十分復(fù)雜。然而目前預(yù)應(yīng)力閘墩錨索設(shè)計理論相對落后，多在參考類似工程的經(jīng)驗基礎(chǔ)上采用半經(jīng)驗法進行設(shè)計，對U型錨索的研究資料較少，缺乏理論計算和數(shù)據(jù)分析[6]。因此研究不同錨索布置方案下預(yù)應(yīng)力閘墩的應(yīng)力變形對錨索的優(yōu)化設(shè)計就顯得尤為重要。本文根據(jù)兩種預(yù)應(yīng)力錨索布置方案，分析支撐大梁與預(yù)應(yīng)力閘墩受力狀態(tài)；針對相應(yīng)的典型剖面與特征點，研究典型剖面上是否出現(xiàn)應(yīng)力與位移的不連續(xù)和特征點應(yīng)力與位移的突變等情況，并以此判斷閘墩和支撐大梁的結(jié)構(gòu)安全性。

2 預(yù)應(yīng)力錨索布置方案與模型建立

2.1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游云南省巧家縣和四川省寧南縣境內(nèi)，上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級，是國家西電東送工程的骨干電源點之一[7]。白鶴灘拱壩設(shè)計壩高289.0 m，壩頂高程834.0 m。壩身底部布置6個施工期臨時導(dǎo)流底孔，上游水位750 m，下游水位606 m。1#～5#底孔孔口尺寸6 m×10 m，上游平板門擋水，下游自由出流;6#底孔孔口尺寸為5 m×7 m，出口高程665 m，下游設(shè)工作弧門擋水。在施工期低水位工況下，弧門總推力為57 610 kN，單支鉸側(cè)推力為30 kN。

2.2 預(yù)應(yīng)力錨索布置方案

由于1#～5#底孔為平板門擋水，下游無弧門擋水，故只對6#底孔預(yù)應(yīng)力閘墩進行錨索布置。6#底孔預(yù)應(yīng)力閘墩承受著由弧形工作閘門產(chǎn)生的巨大推力，閘墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為了避免由于閘墩產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力而引起裂縫的開展，進而對整體結(jié)構(gòu)造成影響，沿推力方向在閘墩兩側(cè)對稱布置共16束張拉噸位3 500 kN的U型主錨索(見圖1)，圖1中N1～N8代表錨索的編號，每邊8根，以輻射角0.5°輻射狀布置；沿孔口下游閘門支座處的大梁方向布置13根張拉噸位3 000 kN的直線型次錨索(見圖2)，圖2中“Ⅰ～Ⅳ”表示次錨索的布置順序，與主錨索相對應(yīng)且同時布置。大梁第1排和第2排布置次錨索各5根，第3排布置3根。以消除大梁剪切和彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而改善閘墩的整體受力狀況。

圖3為6#底孔預(yù)應(yīng)力閘墩U型主錨索兩種布置方案，其中錨索根數(shù)與張拉噸位均相同。圖3中“ZM”表示主錨索，編號與圖1中相對應(yīng)。羅馬數(shù)字“Ⅰ～Ⅳ”表示布置順序，錨索荷載逐步施加。

圖1 白鶴灘大壩6#底孔預(yù)應(yīng)力閘墩主錨索布置

圖2 6#底孔預(yù)應(yīng)力錨索閘墩大梁次錨索布置圖

圖3 6#底孔預(yù)應(yīng)力閘墩主錨索布置方案

2.3 有限元子模型法計算過程

壩體自重、上下游水壓力、弧門推力和主次錨索的預(yù)應(yīng)力為施工期工況的全部荷載。其中以面力的方式簡化弧門推力，荷載面在支撐大梁的上游；采用連接單元法簡化主錨索預(yù)應(yīng)力、等效荷載法簡化次錨索預(yù)應(yīng)力。地基為固定約束。水密度取1.0×103kg/m3，鋼筋混凝土密度取2.4×103kg/m3，混凝土彈性模量取24 GPa，泊松比取0.167。

采用有限元子模型法對白鶴灘大壩預(yù)應(yīng)力閘墩進行三維有限元分析。建立大壩整體模型，按照圖1、2的主錨索位置和圖3的布置順序依次在整體模型和子模型中建立錨索與錨塊模型。按照布置方案，在每組錨索布置后均可以得到整體計算結(jié)果。而由整體計算結(jié)果可以得到子模型對應(yīng)邊界上的節(jié)點位移，子模型邊界的節(jié)點位移作為計算的約束條件，在加密后的子模型上建立相對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力錨索和錨塊模型從而得出各典型剖面各特征點不同方案下的位移和應(yīng)力變化。

3 結(jié)果及分析

對于大推力預(yù)應(yīng)力閘墩，頸部是設(shè)計的關(guān)鍵位置，也是拉應(yīng)力較大的區(qū)域，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中?？紤]錨索布置、閘墩設(shè)計對稱性與受力狀態(tài)，底孔出口閘墩左右兩側(cè)差別不大。但右側(cè)承受的整體拱推力會擠壓結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生沿大梁方向的內(nèi)力，進而閘墩右側(cè)的表面會受到拉應(yīng)力。在閘墩自重作用下，其與壩體連接處也會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

圖 4為6#底孔施工期工況第一主應(yīng)力及典型剖面圖，根據(jù)圖4(a)的拉應(yīng)力區(qū)，選擇1-1、2-2和3-3剖面作為典型剖面(如圖4(b)所示)，圖 5為各典型剖面特征點示意圖。選擇閘墩頸部A點、主錨索張拉表面上B和C點3點作為應(yīng)力位移特征點。考慮到大梁截面較小，布置順序的變化對結(jié)構(gòu)的影響并不大，所以兩種方案的次錨索布置順序相同。

在大梁承受了較大的弧門推力情況下，其與閘墩的交界處以及與壩體的交界處常出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，主要對大梁跨中截面以及大梁縱截面進行對比，為此，在確定典型剖面與特征點時，應(yīng)考慮拉應(yīng)力較為集中的部位。這里選取典型剖面2-2(如圖4、5所示)的大梁四周D、E、F、G點以及典型剖面3-3(圖4、5)的閘墩與大梁交界部位的H、I、J、K點為特征點，所選擇的特征點皆在受拉區(qū)域內(nèi)且各特征點處拉應(yīng)力較大。

本文重點分析支撐大梁橫截面與大梁與閘墩連接處的應(yīng)力和變形，根據(jù)特征點在兩種方案下隨著錨索布置順序的應(yīng)力和位移變化來初步選擇較優(yōu)的錨索布置方案。各典型剖面特征點在不同方案下的應(yīng)力和位移變化結(jié)果見圖6～11。應(yīng)力以拉為正。

圖4 6#底孔施工期工況第一主應(yīng)力與典型剖面圖

圖5 各典型剖面特征點示意圖

圖6 1-1典型剖面兩種方案下特征點位移變化圖

圖7 1-1典型剖面兩種方案下特征點第一主應(yīng)力變化圖

從圖6、7可以看出，位移受錨索布置順序的影響并不大，第一主應(yīng)力的變化趨勢受錨索順序影響較大。可以看出差異主要在Ⅰ、Ⅱ兩步，導(dǎo)致這種差異的原因是每步主錨索根數(shù)的不同，其次是主錨索位置。而兩種方案下的最終位移和第一主應(yīng)力數(shù)值相差不大。

在分析大梁橫截面時，應(yīng)考慮主錨索與次錨索共同的作用。從圖8、9看到，兩種方案下的位移差別不大，且變化趨勢基本相同。但第一主應(yīng)力的變化差別較大，尤其是G點的變化規(guī)律受每步主錨索根數(shù)和施加位置影響較大。整體來說，方案1的拉應(yīng)力水平比方案2低。

圖8 2-2典型剖面兩種方案下分析點位移變化圖

圖9 2-2典型剖面兩種方案下分析點第一主應(yīng)力變化圖

圖10 3-3典型剖面兩種方案下分析點位移變化圖

從圖10、11可知，3-3剖面在兩種方案下位移變化不大，主要差別在位于閘墩右側(cè)的H和K兩點。方案2的第Ⅰ組錨索布置比方案1更靠近閘墩外側(cè)，故H點位移比方案1略大。第Ⅳ組錨索的位移值也相差不大，且位移變化規(guī)律一致；對比兩種方案下的第一主應(yīng)力圖可以發(fā)現(xiàn)：除K點外，其余3點的變化規(guī)律大致相同，而方案2下K點應(yīng)力變化規(guī)律有所不同的主要原因在于K點初始位移差異較大。

圖11 3-3典型剖面兩種方案下分析點第一主應(yīng)力變化圖

以上分析針對模擬錨索布置過程中的閘墩應(yīng)力變形情況。在錨索全部施加后，對選取的典型剖面進行拉應(yīng)力復(fù)核，采用混凝土抗拉強度標準值對閘墩最大拉應(yīng)力進行安全評價。閘墩和孔口部位的混凝土為C9040，其抗拉強度標準值為3.2 MPa；底孔周圍區(qū)域的混凝土為C18035，其抗拉強度標準值為2.8 MPa。復(fù)核結(jié)果如表1所示。

表1典型剖面最大拉應(yīng)力復(fù)核MPa

從表1中看出，典型剖面的最大拉應(yīng)力仍未超過混凝土的抗拉強度標準值，故閘墩應(yīng)力水平符合要求。

4 結(jié) 論

(1) 通過對底孔預(yù)應(yīng)力閘墩的應(yīng)力和變形分析，在施工期工況下，兩種U型錨索布置方案下的預(yù)應(yīng)力閘墩和大梁的應(yīng)力水平均滿足規(guī)范要求，位移并未出現(xiàn)不連續(xù)和突變的現(xiàn)象，因而閘墩和大梁在結(jié)構(gòu)上是安全的。

(2) 通過對典型剖面上特征點的應(yīng)力和位移的對比分析，方案1特征點的應(yīng)力水平比方案2趨于平均，兩種方案下特征點的位移相差不大?？梢?，錨索布置順序?qū)ψ罱K的結(jié)果影響不大，主要是在布置過程中研究閘墩的應(yīng)力和變形。

(3) U型錨索能夠改善閘墩的應(yīng)力狀態(tài)，保證閘墩安全運行，本文的研究思路可為U型錨索布置設(shè)計和研究提供參考。同時需指出如何對預(yù)應(yīng)力閘墩的安全進行評估仍未規(guī)范，而錨索的施工順序?qū)﹂l墩的受力狀態(tài)需進一步地研究。