三河口拱壩底孔閘墩預(yù)應(yīng)力錨索布置方案設(shè)計(jì)研究

魏克武，趙 瑋

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710001)

隨著我國(guó)水利技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大推力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，已在多項(xiàng)工程中成功應(yīng)用，選擇合適的錨索布置形式、張拉噸位，仍是預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要課題之一[1]。

三河口拱壩底孔工作弧門(mén)承受最大水頭93 m，弧門(mén)最大推力3.3×104kN，出口閘墩為大懸臂的復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)[2]，閘墩最大懸挑長(zhǎng)度25 m。

為確保工作弧門(mén)運(yùn)行安全，滿(mǎn)足閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，改善閘墩受力條件及應(yīng)力分布狀態(tài)，采用預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即在閘墩弧門(mén)拉應(yīng)力區(qū)及閘墩出口段頂面布置預(yù)應(yīng)力錨索[3]。由于底孔下游懸臂較長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，因此制定不同的錨索方案，采用ANSYS三維有限元分析評(píng)價(jià)各方案錨索布置參數(shù)、張拉順序、應(yīng)力影響范圍等對(duì)閘墩應(yīng)力狀態(tài)的影響，以此為依據(jù)確定最終預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨索設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)一步對(duì)選定錨索方案在各種工況下的整體應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析研究，論證了底孔出口閘墩預(yù)應(yīng)力錨索布置方案及閘墩結(jié)構(gòu)形式。

1 底孔閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 體型設(shè)計(jì)

大壩設(shè)兩個(gè)放空泄洪底孔，布置在550 m高程，相間布置在三個(gè)泄洪表孔之間，最大下泄流量1 560 m3/s，進(jìn)口設(shè)置檢修閘門(mén)，孔口尺寸4 m×6 m(寬×高)，出口設(shè)置弧形工作閘門(mén)，孔口尺寸4 m×5 m(寬×高)，最大流速高達(dá)40 m/s左右，底孔出口采用窄縫挑流消能，增加消能率，底孔閘墩采用C40混凝土[4-5]，設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 底孔下游立視圖

圖2 底孔縱剖面圖

1.2 計(jì)算模型

計(jì)算采用六面體八節(jié)點(diǎn)的Solid 65實(shí)體單元選取拱壩整體及左右壩肩山體建立完整三維有限元模型，充分考慮各種工況下大壩自身變形對(duì)底孔閘墩的影響，模擬底孔真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)[6]。有限元模型見(jiàn)圖3、圖4，單元總數(shù)70.74萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)77.9萬(wàn)個(gè)。

圖3 大壩整體有限元模型圖

圖4 底孔有限元模型圖

1.3 非預(yù)應(yīng)力底孔閘墩受力狀態(tài)

底孔閘墩采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，在底孔閘墩拉應(yīng)力較大部位主要有：一是底孔閘墩與大梁上游面交接處，二是底孔邊墩與大梁上游面交接處下部,最大拉應(yīng)力值見(jiàn)表1，具體部位見(jiàn)圖5—圖7。

表1 閘墩最大拉應(yīng)力值區(qū) 單位：MPa

以正常運(yùn)行工況為參考，根據(jù)結(jié)果可見(jiàn)，閘墩最大主應(yīng)力達(dá)到2.4 MPa，遠(yuǎn)超C40混凝土最大抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa。底孔作為大壩壩身影響大壩安全的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位，同時(shí)又在大壩變形、自身懸挑結(jié)構(gòu)、水壓力及水沖擊荷載等復(fù)雜因素影響下[7]，結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力較大，并形成一定范圍的大拉應(yīng)力區(qū)。作為1級(jí)建筑物，其基本組合的承載力安全系數(shù)K>1.35，采用普通鋼筋混凝土配筋，在合理配筋率范圍內(nèi)，很難滿(mǎn)足閘墩限裂要求[8-9]?！端ゎA(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.2.1規(guī)定，當(dāng)弧形閘門(mén)承受的總推力超過(guò)2.5×104KN時(shí)，可考慮采用預(yù)應(yīng)力式閘墩[10]。因此采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)改善閘墩受力狀態(tài)是非常值得探究的設(shè)計(jì)思路，也是目前高水頭、大推力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流技術(shù)手段。

圖5 第一主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖6 X向應(yīng)力云圖 (單位：MPa)

圖7 Y向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

2 擬定預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)：閘墩結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，在正常使用極限狀態(tài)下，允許出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力應(yīng)不大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的1/2，拉錨系數(shù)控制值為1.8～2.3[11]；錨索預(yù)應(yīng)力應(yīng)在滿(mǎn)足混凝土應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)條件下，施加最小預(yù)應(yīng)力值。

設(shè)計(jì)思路：以正常運(yùn)行工況為參考工況，通過(guò)逐次、分批增設(shè)主錨索、次錨索和閘墩頂部錨索，單獨(dú)研究增加每種錨索不同參數(shù)方案后閘墩應(yīng)力狀態(tài)，確定每種錨索設(shè)計(jì)參數(shù)，最終選定錨索系統(tǒng)布設(shè)方案，并進(jìn)一步驗(yàn)算選定方案在底孔各運(yùn)行工況下的受力特性，驗(yàn)證錨索方案的合理性。

系統(tǒng)錨索可分為斜拉主錨索、側(cè)向次錨索和閘墩頂部錨索，錨索布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 錨索分布立面圖

圖9 錨索分布平面圖(單位：mm)

2.2 主錨索參數(shù)選定

主錨索在閘墩立面上呈扇形布置，內(nèi)側(cè)2排，外側(cè)1排，其合力方向沿弧門(mén)推力方向，擴(kuò)散角為12°，設(shè)計(jì)噸位為2 250 kN～2 800 kN，張拉噸位2 650 kN～3 350 kN。主錨索分別選取三個(gè)設(shè)計(jì)噸位2 250 kN、2 525 kN、2 800 kN進(jìn)行計(jì)算分析，不設(shè)次錨索[12-13]。

經(jīng)計(jì)算，增設(shè)主錨索后，閘墩拉應(yīng)力區(qū)分布基本不變，但拉應(yīng)力區(qū)及最大拉應(yīng)力值大幅減小，說(shuō)明沿拉應(yīng)力分布區(qū)布設(shè)的主錨索對(duì)拉應(yīng)力減小效果明顯，同時(shí)，隨著錨索噸位的增加，拉應(yīng)力值的減小并不明顯，可見(jiàn)錨索拉力在達(dá)到一定噸位后，僅單獨(dú)增加主錨索噸位效果并不理想，也不經(jīng)濟(jì)，主錨索選方案中最小噸位2 250 kN即可，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主錨索各方案最大拉應(yīng)力值區(qū)

2.3 次錨索參數(shù)選定

次錨索水平布置于弧門(mén)支承大梁內(nèi)，并通過(guò)大梁與閘墩相連接。次錨索主要是消除主錨索在閘墩與大梁結(jié)合部位產(chǎn)生的次生應(yīng)力[14]，并增加弧門(mén)支承大梁對(duì)閘墩的約束性。次錨索沿垂直弧門(mén)推力方向分三排布置，每排4束，共12束。次錨索設(shè)計(jì)噸位為1 700 kN～2 250 kN，張拉噸位2 000 kN～2 650 kN，次錨索分別選取三個(gè)設(shè)計(jì)噸位1 700 kN、1 975 kN、2 250 kN進(jìn)行計(jì)算分析，主錨索選用已定噸位2 250 kN。

經(jīng)計(jì)算，在選定主錨索后，增設(shè)次錨索，閘墩拉應(yīng)力進(jìn)一步降低，同樣，在達(dá)到一定噸位后，隨著錨索噸位的增加，拉應(yīng)力值的減小并不明顯，次錨索可選方案中最小噸位1 700 kN即可。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 次錨索各方案(主錨索2 250 kN)最大拉應(yīng)力值區(qū)

然而，在完成主、次錨索的布設(shè)后，閘墩的主拉應(yīng)區(qū)雖得到明顯改善，但在閘墩大梁上游面以及閘墩頂部和壩體下游面交接部位產(chǎn)生新的拉應(yīng)力區(qū)，最大應(yīng)力值1.7 MPa，說(shuō)明由于錨索作用閘墩應(yīng)力進(jìn)行了重新分配，見(jiàn)圖10、圖11。

因此，進(jìn)一步考慮增設(shè)閘墩頂部錨索，以期消除次生拉應(yīng)力區(qū)。

圖10 大梁下游面第一主應(yīng)力云圖

圖11 大梁上游面第一主應(yīng)力云圖

2.4 閘頂錨索參數(shù)選定

在主、次錨索的基礎(chǔ)上，閘墩頂部布設(shè)5根預(yù)應(yīng)力錨索，設(shè)計(jì)噸位為2 500 kN，用于消除次生拉應(yīng)力區(qū)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，閘墩應(yīng)力有：①閘墩頂部外側(cè)與壩體下游面交接處；②閘墩頂部預(yù)應(yīng)力錨索下游錨固面與閘墩頂面相交部位；③閘墩頂部?jī)?nèi)側(cè)與壩體下游面交接處；④閘墩內(nèi)側(cè)面與大梁上游面交接處。具體位置見(jiàn)圖12。

在系統(tǒng)布設(shè)主錨索、次錨索及閘墩頂部錨索后，閘墩的主受力區(qū)拉應(yīng)力值均較小，并且頂部錨索進(jìn)一步消除了主、次錨索產(chǎn)生的次生應(yīng)力區(qū)。然而，應(yīng)力的約束和分配是此消彼長(zhǎng)的，在消除閘墩主要受力區(qū)后，在圖中4個(gè)部位仍出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，在②部位最大應(yīng)力達(dá)到1.9 MPa。經(jīng)分析，上述部位均為拐角、交角或相交部位，屬于淺層應(yīng)力集中現(xiàn)象，雖應(yīng)力值較大但深度較淺，不會(huì)危及結(jié)構(gòu)安全，可在通過(guò)加強(qiáng)局部配筋解決。

圖12 底孔閘墩主要受力部位示意圖

3 選定錨索方案各運(yùn)行工況分析

綜合上述分析后，文章選定了主、次錨索加閘墩頂部錨索的系統(tǒng)錨索方案，根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行的長(zhǎng)期工況和短暫不利工況，進(jìn)一步驗(yàn)證方案的合理性，選取計(jì)算工況見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算工況表

計(jì)算后可知，各運(yùn)行工況下底孔閘墩各關(guān)鍵部位的應(yīng)力均小于相應(yīng)部位混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)部位主要受力區(qū)應(yīng)力值滿(mǎn)足錨索設(shè)計(jì)的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。地震工況是設(shè)計(jì)控制工況，僅在閘墩頂部與壩體下游面交接的非重要部位，出現(xiàn)淺層應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力2.2 MPa，但拉應(yīng)力分布范圍小于2 m，分布深度小于0.4 m，不會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞。

因此，三河口拱壩泄洪放空底孔出口預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全、合理的。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章通過(guò)逐次分批增設(shè)主錨索、次錨索和閘墩頂部錨索的設(shè)計(jì)思路，較系統(tǒng)的研究了拱壩底孔預(yù)應(yīng)力閘墩錨索的布置形式及設(shè)計(jì)參數(shù)，得出如下結(jié)論：

(1) 在高水頭、大推力的底孔閘墩設(shè)計(jì)時(shí)，宜將預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)方案之一進(jìn)行比選。

(2) 在系統(tǒng)、合理布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索后，閘墩受力狀態(tài)得到明顯改善，結(jié)構(gòu)主要受力部位拉應(yīng)力區(qū)及最大拉應(yīng)力均大幅減小。

(3) 應(yīng)通過(guò)仿真分析研究錨索合理的布置型式及參數(shù)，宜采用較低噸位、多維度的系統(tǒng)錨索布置，使閘墩整體均處于較低應(yīng)力狀態(tài)，避免在高應(yīng)力區(qū)采用集中的、大噸位錨索解決局部應(yīng)力區(qū)問(wèn)題，引起其他部位的次生應(yīng)力或集中應(yīng)力，從而破壞閘墩的整體應(yīng)力狀態(tài)。