預(yù)應(yīng)力閘墩有限元分析

胡森

摘? 要：根據(jù)某水電站泄洪閘孔閘墩結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力錨索布置方案，應(yīng)用有限元程序ANSYS建立三維有限元模型，比較預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力情況下閘墩受力性能，驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力錨索布置方案的合理性，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力閘墩;錨索;泄洪閘;有限元

中圖分類號(hào)：TV662+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）27-0062-03

Abstract： According to the structure of the pier and the pre-stressed anchor layout of the spillway gate of a hydropower station， the finite element program ANSYS was used to establish a three-dimensional finite element model， compare the mechanical performance of the pier under pre-stressed and non-prestressed conditions， and verify the rationality of the pre-stressed anchor layout， so as to provide a reference for engineering design.

Keywords： pre-stressed pier; anchor; floodgate; finite element

1 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某水電站布置有7孔泄洪閘，擬采用預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)，弧門總推力為2×16000kN。閘墩錨索布置分主錨索和次錨索，主錨索長(zhǎng)20m，次錨索長(zhǎng)8.8m。中墩主錨索在閘墩立面上作扇形布置，設(shè)5層，每層4根，總擴(kuò)散角24°，相鄰兩層主錨索擴(kuò)散角6°，預(yù)應(yīng)力主錨索合力作用線通過(guò)弧門支鉸中心。錨塊在受到弧門推力和主錨索張拉力作用下，在垂直主錨索方向會(huì)出現(xiàn)次生拉應(yīng)力，為改善錨塊應(yīng)力狀態(tài)，在錨塊內(nèi)水平方向布置了3列次錨索，每列4根，錨固端設(shè)在錨塊左右兩側(cè)。縫墩及邊墩主錨索布置5層，每層3根，次錨索水平方向布置3列，每列4根，縫墩和邊墩錨索布置形式同中墩。錨索采用7Φ5（Φ15.2）高強(qiáng)低松弛鋼絞線，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860MPa單根主錨索設(shè)計(jì)永存噸位2000kN，次錨索設(shè)計(jì)永存噸位1000kN。中墩錨索布置見(jiàn)圖1。

閘墩混凝土分區(qū)：鉸支座部位采用C40混凝土，其余部位采用C35混凝土。

2 三維有限元分析

2.1 計(jì)算模型與假定

本次計(jì)算主要分析比較閘墩預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力條件下工作性態(tài)，驗(yàn)證閘墩預(yù)應(yīng)力錨索布置的合理性，對(duì)模型荷載和邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，考慮如下基本假定[1-4]：

（1）閘墩混凝土符合小變形情況下的線彈性基本假

定，即按空間線彈性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析。

（2）模型未計(jì)入地基巖體的影響，僅考慮上部閘墩結(jié)構(gòu)。

（3）計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、單側(cè)/雙側(cè)弧門推力、錨索預(yù)應(yīng)力，未考慮兩側(cè)水壓力對(duì)閘墩的影響。

（4）錨索預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加，錨索與混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合求解。

選取泄洪閘中墩進(jìn)行三維有限元分析，模型范圍為中墩兩側(cè)閘孔中-中距離。模型底部及兩邊閘孔底板邊界采用法向鏈桿約束。順河向?yàn)閄軸，指向下游為正，豎向?yàn)閅軸，豎直向上為正。采用有限元程序ANSYS對(duì)預(yù)應(yīng)力閘墩進(jìn)行分析，中墩結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示，其單元總數(shù)82049個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)72827個(gè)。

2.2 計(jì)算成果分析

2.2.1 單側(cè)弧門推力作用下非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力比較

（1）由表1可知，非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力條件下閘墩變形均不大，順?biāo)飨蜃畲笪灰莆挥诨￠T推力作用處，橫向最大位移位于閘墩尾部頂端處，豎向最大位移位于閘墩上游頂端處。非預(yù)應(yīng)力條件下相較預(yù)應(yīng)力條件下各向最大位移略大。

（2）靠近支座附近扇形區(qū)域徑向應(yīng)力如圖3、圖4，由圖可知，非預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，徑向總拉力10569.63kN;預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，徑向總壓力-25785.59kN。可見(jiàn)預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)起到了很好的預(yù)壓效果。

2.2.2 雙側(cè)弧門推力作用下非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力比較

（1）由表2可知，非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力條件下閘墩變形均不大，順?biāo)飨蜃畲笪灰莆挥诨￠T推力作用處，因荷載對(duì)稱橫向位移可忽略不計(jì)，豎向最大位移位于閘墩上游頂端處。非預(yù)應(yīng)力條件下相較預(yù)應(yīng)力條件下各向最大位移略大。

（2）靠近支座附近扇形區(qū)域徑向應(yīng)力如圖5、圖6，由圖可知，非預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，徑向總拉力24583.84kN;預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，徑向總壓力-11810.62kN?？梢?jiàn)預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)起到了很好的預(yù)壓效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合泄洪閘孔預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力和變形進(jìn)行了分析，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨索大大改善了支座附近應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到了很好的預(yù)壓效果，錨索布置方案可行。

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