基于COMSOL Multiphysics的溢流壩預(yù)應(yīng)力閘墩數(shù)值分析

華 中，王 曉，戚會剛

(淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 漣水 223400)

1 工程概況

某工程泄洪建筑物為溢流壩，各溢流壩段長分別為26.5、18.5、18.5、17m。溢流表孔共設(shè)4孔，孔口尺寸13m×21m，堰頂高程87.0m，每孔設(shè)弧形工作閘門，弧形閘門尺寸13m×24.5m，擋水情況下，弧門總推力56000kN，采用液壓啟閉機操作，上游設(shè)平板檢修門，下游設(shè)置電纜溝。表孔閘墩為預(yù)應(yīng)力閘墩，型式為寬尾墩，閘墩全長49m，墩頭采用半圓形，半徑2m，閘墩寬尾段長15.15m，孔口收縮比0.5，孔口縮窄后出口寬度6.5m，墩尾厚13m。兩側(cè)邊墩以下設(shè)導(dǎo)墻，導(dǎo)墻墻頂高程由96.50m漸變至80.0m。

溢流堰面曲線采用WES曲線，曲線方程為y=0.0432×1.85，下接1∶0.632的直線段和半徑25m的反弧段，再接戽流消力池。溢流壩采用孔中分縫，閘墩厚4.5m，閘墩上游懸挑3.1m，在高程81.1m挑出溢流壩上游面，墩頂頂部再懸挑1.5m布置壩頂公路橋梁。溢流壩壩體上游面鉛直，下部為1∶0.2折坡，折坡點高程71.0m。

戽流消力池底板高程40m，消力池水平段長20m，消力池底板厚5m，其后設(shè)斜坡消力坎，陡坎高度8m，消力坎坡比為1∶2，戽流消力池總長54.7m。消力池底板下設(shè)錨筋φ32@1.5m，入巖9.0m。

2 錨塊及錨索布置

2.1 錨塊布置[1]

弧門支座(錨塊)采用簡單型錨塊，錨塊底部與閘墩之間采用“三油兩氈”分隔層連接，錨塊伸出閘墩外2.7m，平面尺寸7m×6.15m(寬×高)，如圖1所示。

圖1 閘墩結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)

2.2 錨索布置[2]

中墩各側(cè)面沿閘墩高度方向布置5層，每層3排，共30根，長度分別為33、29m，各層長短相間布置，最外側(cè)主錨索距閘墩邊緣0.6m，排距0.6m，相鄰2層錨索間的擴散角4.0°，如圖2所示。

圖2 中墩錨索和錨塊結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)

邊墩在擋水側(cè)布置3排5層的預(yù)應(yīng)力主錨索，布置方式同中墩，在另外一側(cè)布置1排3層的預(yù)應(yīng)力張拉平衡錨索，如圖3所示。

圖3 邊墩錨索和錨塊結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)

錨索端部通過錨墊板與閘墩和錨塊直接接觸。

水平次錨索在錨塊上游面布置2排，相鄰2排的間距為1.0m，距錨塊上游邊緣1.0m，在錨塊下游面布置一排，距錨塊下游邊緣1.0m，每排4根，共12根。

在閘墩主錨索上游端預(yù)留5個直徑為1.5m的張拉孔，以便預(yù)應(yīng)力錨索張拉施工，施工完畢后再用微膨脹混凝土回填封堵，以確保閘墩結(jié)構(gòu)的整體性。

鋼絞線采用Φ15.2mm(7Φ5)高強低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2mm，抗拉強度標準值1860MPa。單束主錨索由36股鋼絞線組成，次錨索由18股鋼絞線組成[3]。主錨索預(yù)應(yīng)力為5400kN，次錨索預(yù)應(yīng)力為2800kN。

3 計算模型及工況

根據(jù)溢流壩段閘墩設(shè)計方案，分別選取中墩和邊墩為研究對象，將溢流堰、閘墩以及錨塊按等比例建立三維有限元模型[4- 5]?；炷敛捎贸?yīng)力實體單元，溢流堰單元尺寸為0.5m[6]，閘墩單元尺寸為0.2～0.5m，錨塊單元尺寸為0.2m。中墩模型共36.5萬個單元，25.5萬個節(jié)點，如圖4所示。

圖4 中墩計算模型和錨塊三維網(wǎng)格圖

邊墩模型共28.7萬個單元，20.8萬個節(jié)點，如圖5所示。

圖5 邊墩計算模型和錨塊三維網(wǎng)格圖

預(yù)應(yīng)力錨索采用一維桿單元進行模擬，只計軸向拉力，不計剪力和彎矩[7- 8]。

模型坐標系統(tǒng)為：x軸沿水流方向；y軸沿壩軸線方向；z軸豎直向上。

根據(jù)閘墩受力特點，就主要控制工況進行計算，中墩計算工況及荷載組合見表1[9]。

表1 中墩計算工況及荷載組合

邊墩計算工況及荷載組合見表2。

表2 邊墩計算工況及荷載組合

4 計算成果與分析

經(jīng)數(shù)值計算，中墩和邊墩在不同工況下的位移見表3。

表3 不同工況下最大位移匯總表 單位：mm

中墩和邊墩在不同工況下的應(yīng)力見表4。

表4 不同工況下最大應(yīng)力匯總表 單位：MPa

中墩頸部應(yīng)力最不利工況為工況A3，工況A3位移計算結(jié)果如圖6—7所示。

圖6 工況A3中墩總位移(左)和x向位移(右)圖(單位：m)

圖7 工況A3中墩y向位移(左)和z向位移(右)圖(單位：m)

閘墩各部位應(yīng)力計算結(jié)果如圖8—10所示。

圖8 工況A3中墩頸部第一(左)和第三(右)主應(yīng)力圖(單位：kN/m2)

圖9 工況A3中墩張拉孔第一(左)和第三(右)主應(yīng)力圖(單位：kN/m2)

圖10 工況A3中墩錨塊第一(左)和第三(右)主應(yīng)力圖(單位：kN/m2)

邊墩頸部應(yīng)力最不利工況為工況B2，工況B2位移計算結(jié)果如圖11—12所示。

圖11 工況B2邊墩總位移(左)和x向位移(右)圖(單位：m)

圖12 工況B2邊墩y向位移(左)和z向位移(右)圖(單位：m)

閘墩各部位應(yīng)力計算結(jié)果如圖13—15所示。

圖13 工況B2邊墩頸部第一(左)和第三(右)主應(yīng)力圖(單位：kN/m2)

圖14 工況B2邊墩張拉孔第一(左)和第三(右)主應(yīng)力圖(單位：kN/m2)

圖15 工況B2邊墩錨塊第一(左)和第三(右)主應(yīng)力圖(單位：kN/m2)

由表3—4、圖6—15可看出：①中墩頸部截面受拉區(qū)邊緣至最外側(cè)主錨束孔中心之間的混凝土法向拉應(yīng)力的平均值最大為1.20MPa[2]，發(fā)生在工況A3(一側(cè)閘門擋水，一側(cè)泄水)；邊墩頸部法向拉應(yīng)力平均值為1.42MPa，發(fā)生在工況B2(閘門擋水)。②中墩頸部表面最大拉應(yīng)力為2.85MPa，邊墩頸部表面最大拉應(yīng)力為3.76MPa，均大于混凝土抗拉強度，范圍較小，且沿軸線方向很快衰減。③中墩錨塊的最大拉應(yīng)力發(fā)生在工況A3(一側(cè)閘門擋水，一側(cè)泄水)，最大拉應(yīng)力為1.35MPa，位于錨塊閘墩交接處，最大壓應(yīng)力為20.57MPa，位于錨塊底部與閘墩邊緣接觸部位；邊墩錨塊的最大拉應(yīng)力發(fā)生在工況B2(閘門擋水)，最大拉應(yīng)力為1.61MPa，位于錨塊閘墩交接處，最大壓應(yīng)力為15.12MPa，位于錨頭與錨塊接觸部位，為應(yīng)力集中區(qū)域。④中墩張拉孔的最大拉應(yīng)力發(fā)生在工況A2(兩側(cè)閘門擋水)，最大值為4.18MPa；邊墩張拉孔的最大拉應(yīng)力發(fā)生在工況B2(閘門擋水)，最大值為3.93MPa。兩者均大于混凝土的抗拉強度，位于張拉孔上下邊緣。⑤由于采用的是分離式錨塊，錨塊底部與閘墩連接部位在施工和運行過程中會出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，但分布范圍較小。

5 結(jié)語

本文采用三維有限元法，借助COMSOL Multiphysics數(shù)值分析平臺，對溢流壩預(yù)應(yīng)力閘墩進行靜力特性分析，得到如下結(jié)論。

(1)中墩頸部截面受拉區(qū)邊緣至最外側(cè)主錨束孔中心之間的混凝土法向拉應(yīng)力的平均值為1.20MPa，邊墩頸部法向拉應(yīng)力平均值為1.42MPa，均滿足規(guī)范要求的頸部應(yīng)力控制標準1.67MPa(0.7ftk=0.7×2.39=1.67MPa)。

(2)中墩和邊墩頸部表面局部最大拉應(yīng)力均大于混凝土抗拉強度，但其范圍較小，且沿軸線方向很快衰減，可以通過配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋來限制閘墩表面裂縫的開展。

(3)中墩錨塊整體壓應(yīng)力水平均小于C40混凝土的抗壓強度設(shè)計值(19.1MPa)，僅在中墩錨塊與閘墩交接的角點處存在應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力為20.57MPa，范圍極小，不影響結(jié)構(gòu)安全；邊墩錨塊的最大壓應(yīng)力為15.12MPa，均小于C40混凝土的抗壓強度設(shè)計值(19.1MPa)。

(4)在張拉孔上下邊緣以及錨塊底部與閘墩連接部位局部會產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，超過混凝土的抗拉強度，這些區(qū)域應(yīng)加強配筋來控制裂縫開展。