水利工程中水閘閘墩結(jié)構(gòu)計(jì)算的分析與探討

梅海州

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830002)

1 前 言

近年來,在大型水利樞紐建筑物中,為解決弧門水推力大、閘墩布筋困難這一難題,水工閘墩逐漸開始采用預(yù)應(yīng)力混凝土支承結(jié)構(gòu)形式。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)借高強(qiáng)度鋼絲束施加預(yù)應(yīng)力將弧門支承體與閘墩連接,在錨束作用范圍內(nèi)產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力來平衡弧門水推力產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

盡管預(yù)應(yīng)力閘墩已被廣泛應(yīng)用,但是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也沒有固定的計(jì)算形式,各個(gè)工程采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,因而其設(shè)計(jì)結(jié)果也各不相同。筆者在總結(jié)了大量預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體步驟以及設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的問題,為工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員提供參考。

2 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體思路

首先從弧門水推力大小、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形、裂縫控制、運(yùn)用要求、施工條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行綜合分析,以確定是否有采用預(yù)應(yīng)力的必要性;然后開始預(yù)應(yīng)力閘墩的設(shè)計(jì)。當(dāng)論證是否采用預(yù)應(yīng)力閘墩時(shí),可以按照規(guī)范或通過計(jì)算來比較分析。

根據(jù)規(guī)范,弧門水推力＞35 000 k N的就可采用預(yù)應(yīng)力式閘墩。另外,為了論證采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的必要性,可以將常規(guī)混凝土閘墩與預(yù)應(yīng)力式閘墩結(jié)構(gòu)兩種方案分別進(jìn)行有限元計(jì)算來比較論證。

3 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的幾個(gè)問題

預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體步驟中包含著需要設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)考慮的問題。如弧門支承體結(jié)構(gòu)選型問題、閘墩結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度表示方法和選擇標(biāo)準(zhǔn)問題、如何合理布置預(yù)應(yīng)力錨束的問題、配筋時(shí)預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的比例問題、部分預(yù)應(yīng)力閘墩裂縫成因以及如何控制等方面。

3.1 弧門支承體結(jié)構(gòu)選型問題

大型預(yù)應(yīng)力閘墩弧門支承結(jié)構(gòu)由閘墩體與弧門支承體兩部分組成,并通過頸部連成一整體。支承體作為弧形門支座,是傳遞弧門水推力的機(jī)構(gòu)。閘門所受水壓力便通過弧門支承體傳到閘墩上,再通過錨系鋼筋或構(gòu)件傳到閘墩的上游部分。弧門支承體結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小對閘墩和支承體本身應(yīng)力狀態(tài)的影響作用很大,它關(guān)系到能否改善閘墩受力狀態(tài)和提高閘墩預(yù)應(yīng)力效果。

工程設(shè)計(jì)中,在弧門支承體結(jié)構(gòu)選型問題上,各個(gè)工程應(yīng)根據(jù)不同的泄水孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程地質(zhì)條件等因素,通過對比分析多種弧門支承體形式來選取合適的弧門支承體。目前,我國工程實(shí)踐中。大型弧門預(yù)應(yīng)力混凝土支承體的結(jié)構(gòu)型式主要有牛腿或懸臂深梁、錨塊及跨孔口深梁等幾種類型。各種支承體結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)及適用場合如下:懸臂梁和錨塊均屬于深梁懸臂,只是在外形上有所差別,前者為簡單的四邊形狀,后者為復(fù)雜的不規(guī)則多邊形的立方體。采用錨塊形式主要是為了改善錨塊內(nèi)部應(yīng)力和減少阻水作用;且采用錨塊形式較為經(jīng)濟(jì)。當(dāng)閘室泄洪孔口為大跨度、多孔口結(jié)構(gòu),整個(gè)閘室處于壩體上或地質(zhì)條件較好的基巖上時(shí),為使結(jié)構(gòu)體形簡單,方便施工,可考慮采用錨塊式支承體結(jié)構(gòu)。

近年來,為提高錨束的預(yù)應(yīng)力效果,改善支承結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài),工程設(shè)計(jì)和研究人員開始研究多種新型支承體結(jié)構(gòu)。如朱暾等提出在頸部開槽的新結(jié)構(gòu)型式,該新型結(jié)構(gòu)能顯著降低預(yù)應(yīng)力閘墩拉錨系數(shù),能明顯改善頸部的應(yīng)力分布狀態(tài),增大預(yù)應(yīng)力的抗裂效果;另賀采旭等提出在簡單錨塊中預(yù)留一條很薄夾縫的新錨塊形式(簡稱開縫錨塊),這種開縫錨塊改變了預(yù)應(yīng)力的傳力路徑,增加了頸部兩側(cè)的預(yù)壓應(yīng)力,提高了預(yù)應(yīng)力效果,節(jié)省了預(yù)應(yīng)力錨束的數(shù)量。

經(jīng)過上述多種支承體形式比較分析,可以選取適合各個(gè)工程的支承體形式。當(dāng)支承體形式確定之后,接下來應(yīng)著重研究其截面形狀和截面大小。支承梁的形狀和大小主要由弧門推力大小、主次錨索布置及錨索的作用效果等因素決定。確定截面尺寸的過程同以后的錨索布置過程相輔相成,它們需要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和計(jì)算才能確定。模型試驗(yàn)、有限元計(jì)算等,成為這一過程中有力的輔助手段。具體過程為:初擬支承體截面尺寸——進(jìn)行模型試驗(yàn)或計(jì)算分析①初擬錨索布置——進(jìn)行模型試驗(yàn)或計(jì)算分析,②調(diào)整支承體截面尺寸(或進(jìn)行分縫研究)和錨索布置——進(jìn)行模型試驗(yàn)或計(jì)算分析,③如此反復(fù),最終選取一較優(yōu)的支承體截面尺寸大小。

3.2 合理布置預(yù)應(yīng)力錨束

預(yù)應(yīng)力閘墩在弧門推力和預(yù)應(yīng)力錨束共同作用下,結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)十分復(fù)雜。預(yù)應(yīng)力錨束布置得合理與否,將直接影響弧門支承體結(jié)構(gòu)性能和預(yù)應(yīng)力效果。如何合理地、經(jīng)濟(jì)地布置預(yù)應(yīng)力錨束,必須仔細(xì)考慮。

閘墩主錨束的布置方式主要考慮通過主錨束施加預(yù)應(yīng)力后,能有效地抵消弧門推力在頸部所產(chǎn)生的拉應(yīng)力,并使主錨束預(yù)應(yīng)力有效地?cái)U(kuò)散到閘墩內(nèi)。在立面上,工程實(shí)踐中大都使其與弧門水推力合力方向一致,使預(yù)應(yīng)力的壓應(yīng)力更好地抵消由荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力,以達(dá)到有效和經(jīng)濟(jì)的要求;同時(shí),為使弧門支鉸區(qū)附近閘墩內(nèi)的集中應(yīng)力得以擴(kuò)散,主錨束多呈扇狀形布置,擴(kuò)散角一般取為 5°～15°,以使閘墩內(nèi)應(yīng)力最大限度地均化,滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的要求。

為減少拉錨系數(shù)值,減少預(yù)應(yīng)力筋布置比例,還需要考慮預(yù)應(yīng)力錨束布置位置對拉錨系數(shù)的影響。預(yù)應(yīng)力錨索布置位置不同,在頸部產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力分布將有較大的區(qū)別。預(yù)應(yīng)力錨束布置在閘墩中部,在頸部產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力是中部大,兩側(cè)小,對抵消閘墩表層高拉應(yīng)力極為不利;預(yù)應(yīng)力錨束布置在兩側(cè),在頸部產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力是中部小,兩側(cè)大,這對抵消閘墩表面高拉應(yīng)力較為有利。因此,設(shè)計(jì)時(shí)該優(yōu)先考慮將預(yù)應(yīng)力錨束布置在兩側(cè),以降低拉錨系數(shù)。一般地,閘墩和支承體在受到弧門水推力和主錨束張拉力的作用下,在垂直于主錨束方向會(huì)出現(xiàn)較大范圍和較大量值的次生拉應(yīng)力。為了抵消這部分次生拉應(yīng)力對支承體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響,改善支承體的應(yīng)力狀況,通常在閘墩體和支承體內(nèi)布置適當(dāng)?shù)乃酱五^束。

3.3 配筋時(shí)預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的比例問題

部分預(yù)應(yīng)力混凝土是采用預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋混合配筋的結(jié)構(gòu),它兼有全預(yù)應(yīng)力混凝土和普通鋼筋混凝土的優(yōu)點(diǎn)。主預(yù)應(yīng)力筋配置是為了有效抵消弧門推力在頸部產(chǎn)生的拉應(yīng)力,并將預(yù)壓應(yīng)力盡量擴(kuò)散到閘墩體內(nèi)。非預(yù)應(yīng)力筋主要配置在一些可能出現(xiàn)裂縫的部位,以限制裂縫的發(fā)展。在允許開裂情況下,預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋基本上都是按應(yīng)力圖形配置,但往往需要幾次反復(fù)比較才能得到預(yù)應(yīng)力錨束和非預(yù)應(yīng)力鋼筋面積的最優(yōu)比例。

3.4 部分預(yù)應(yīng)力閘墩裂縫成因以及控制措施

由于閘墩體內(nèi)外溫差、混凝土的干縮、應(yīng)力集中和地基不均勻沉降等原因,閘墩肯定會(huì)產(chǎn)生裂縫。即使閘墩按全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì),其裂縫的產(chǎn)生也不可避免。

針對這些原因及影響因素,從材料、溫度控制、施工方法與工藝和養(yǎng)護(hù)等方面采取措施,以達(dá)到防止和控制裂縫的效果。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)氣溫情況采取相應(yīng)的溫控和防裂措施。如果單純地配溫度筋不能經(jīng)濟(jì)合理地限制裂縫開展,可從結(jié)構(gòu)和施工方面采取措施。荷載應(yīng)力主要是由于支承體承受傳來的巨大弧門推力,使其下游邊發(fā)生變形從而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,支承體混凝土體積小,不足以抵抗較大荷載作用,就有可能產(chǎn)生貫穿性的裂縫。針對這種原因產(chǎn)生的裂縫,可在支承體內(nèi)設(shè)垂直向預(yù)應(yīng)力次錨束,給予預(yù)壓,既可防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展,也可減少支鉸推力產(chǎn)生的拉應(yīng)力,避免形成新的裂縫。

4 結(jié) 語

本文主要探討了預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路以及需重視的幾個(gè)關(guān)鍵問題。這幾個(gè)關(guān)鍵問題的解決與否,直接關(guān)系到能否成功設(shè)計(jì)一個(gè)既安全可靠,又經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)。

[1] 東北勘測設(shè)計(jì)研究院.D L/T5176-2003水電工程工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2003.

[2] 趙長海.預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)[M].北京:水利水電出版社,2001.

[3] 杜拱辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,1988.