膠結式內錨固預應力閘墩的非線性接觸分析

周偉，楊勝，成磊，李守義

(1.四川大渡河雙江口水電開發有限公司，四川馬爾康624000;2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都610072;3.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川成都610041;4.西安理工大學水利水電學院，陜西西安710048)

高拱壩工程中布置在壩體上的諸如底孔、深孔閘墩這樣的大型結構，由于其工作水頭大、弧門承受推力大而使其應力狀況嚴重惡化［1］。因此，必須采用預應力錨固技術解決這一工程難題，同時應用有限元計算理論對預應力錨固體系設計的合理性進行校核并指導受力結構布置、配筋設計和實際施工組織設計。

閘墩內錨固區的受力狀態是需要妥善解決的技術問題之一，其受力狀態比一般端錨固構件更加復雜，需要考慮空間效應、群錨效應。筆者應用有限元方法對膠結式內錨固閘墩進行了計算，不僅對單根錨固效果進行了模擬計算分析，而且將研究成果最終用于了實際預應力閘墩工程的群錨體系計算中。

1 單根錨索的數值模擬

膠結式錨固多屬于直錨，廣泛用于地下工程圍巖支護，壩體、壩基加固，邊坡加固，結構抗浮，結構抗傾，懸索結構抗力型基礎等土木、水利工程。我國的科技工作者在這方面作了大量的實踐與研究，并且不斷推動錨固計算理論的發展與完善，所提出的計算方法有平面等效力法、連桿法、彈簧元法和空間三維彈簧元法等，還有基于現代數值計算理論和計算機水平飛速進步而發展起來的非線性接觸力學計算方法［2，3］。筆者采用非線性接觸分析方法來模擬粘結錨固段的力學特性:將混凝土、錨索(錨桿)劃分為實體單元，定義各自材料屬性，將錨固段內腔表面和錨索表面設為面-面接觸對，依據試驗結果調整接觸剛度、摩阻系數等來模擬錨固特性。所模擬錨固特性的有限元建模情況見圖1。取10 m×5 m×5 m混凝土模型，錨索粘結段長3 m，施加3 000 kN預應力后沿錨索方向正應力的分布情況見圖2。計算結果表明:錨索粘結段周圍的混凝土主要為拉應力，其應力分布規律為中間大、兩頭小，主要拉應力集中在粘結段的前兩米周圍。

圖1 膠結式錨固有限元模型示意圖

2 工程算例

2.1 有限元建模與計算

某工程泄水建筑物布置的特點:大壩深孔和底孔設計水頭高、工作閘門承受的水推力大，而相應部位的壩體厚度較薄，且壩體與閘墩為整體結構，閘墩承受較大的水推力，導致壩體應力更加復雜。

閘墩主錨索立面呈扇形布置，其合力方向為弧門推力方向，擴散角為12°，上游采用膠結式內錨頭固定于閘墩內。每側閘墩布置4排主錨索，從內側向外側按5、5、3、3布置。為了避開弧門二期混凝土，內側兩排錨索上游端向閘墩外側傾斜，外側一排錨索與閘墩平行。次錨索11根，沿大梁方向布置。主、次錨索設計噸位為3 200～3 600 kN，超張拉噸位為3 600～4 200 kN。主錨索布置情況如圖3、4所示。

圖2 膠結式單根錨固模型正應力圖

圖3 主錨索布置豎直面投影圖

圖4 主錨索布置水平面投影圖

圖5 整體有限元模型示意圖

圖6 閘墩有限元模型示意圖示意圖

有限元計算建立了拱壩的整體模型。整體模型包括壩體、地基和閘墩，基礎范圍向上游、下游和底部均取1倍的壩高。絕大部分計算單元采用八節點六面體實體單元，部分通過四面體實體單元過渡，整體模型剖分后得到的有限元模型如圖5所示，閘墩有限元模型如圖6所示，其單元節點:節點總數為245 635個，單元總數為439 313個。整體模型基礎部分約束情況:底部為三向約束，上下游面及左右側面各施加相應的法向鏈桿約束。計算模型應用的坐標系:水流方向為X軸方向，向下游為正;沿高度方向為Y軸方向，向上為正;壩軸線方向為Z軸方向，向右為正。整體坐標系原點在壩上游面右深孔中心線位置。

2.2 基本計算參數

(1)水重度:γw=10 kN/m3;

(2)鋼筋混凝土重度:γh=25 kN/m3;

(3)混凝土強度等級及彈性模量見表1。

(4)混凝土泊松比:υc=0.167;

(5)混凝土線膨脹系數:αc=0.1×10－41/℃;

(6)采用后張法預應力鋼絞線，其力學性能見表2。

2.3 計算工況及其組合

計算分兩種工況:工況1，計算荷載包括自重、水壓力、弧門推力;工況2，計算荷載包括自重、水壓力、弧門推力和主、次錨索預應力。

2.4 計算成果分析

限于篇幅，文中僅給出工況1和工況2下的計算成果。沿主錨索方向σx(沿水流方向為正應力)等值線見圖7、8。兩種工況下閘墩內部和大梁上的最大正應力數值比較情況見表3。

表1 混凝土強度及彈性模量表/N·mm－2

表2 鋼絞線力學性能表

圖7 工況1 X方向等值線圖

圖8 工況2 X方向等值線圖

預應力錨固有效地改善了閘墩和大梁的應力狀態。從表3可以看出:施加預應力后大梁X方向的拉應力由2 MPa降至0.66 MPa，Y方向的拉應力由0.67 MPa降至0.33MPa，Z方向變為全部受壓;閘墩內部也只有X方向有0.43 MPa的拉應力，其他兩方向均轉變為受壓。

表3 閘墩內部和大梁上最大正應力數值比較表/MPa

3 結語

閘墩的群錨體系計算結果表明:預應力施加改善了閘墩內部和大梁的應力狀態，使得該部位的最大拉應力小于1 MPa且分布范圍較小，能夠抵消因弧門推力在閘墩內產生的大部分拉應力。膠結式錨索粘結段周圍混凝土的最大拉應力超過混凝土抗拉強度，有可能形成局部混凝土破壞而導致錨固失效，內錨頭粘結段的粘結強度還需要進一步的試驗驗證。預錨技術的應用前景是廣闊的，只有綜合應用理論分析、數值計算、模型試驗、現場測試等各種手段對各方面進行深刻分析，設計計算方法的改進才能水到渠成［4］。

［1］趙長海，董在志，陳群香.預應力錨固技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.