型鋼混凝土支座預應力閘墩結構應力分析與研究

高開緒 許尚偉 李倩雯 劉 智

（1. 山東省水利勘測設計院 山東濟南 250013；2. 山東管理學院信息工程學院 山東濟南 250100）

型鋼混凝土支座預應力閘墩結構應力分析與研究

高開緒1許尚偉1李倩雯1劉 智2

（1. 山東省水利勘測設計院 山東濟南 250013；2. 山東管理學院信息工程學院 山東濟南 250100）

以岸堤水庫溢洪閘預應力閘墩為研究對象，遵循《水工混凝土結構設計規范》（DL/T 5057-2009）的相關規定，對預應力閘墩的承載力和抗裂控制進行計算，并應用大型通用有限元計算軟件ansys對溢洪閘預應力閘墩進行了三維應力分析研究，得到了典型工況下的閘墩頸部與型鋼牛腿結合部位的混凝土內部應力分布情況，分析結果為岸堤水庫溢洪閘墩預應力體系的設計與優化提供了依據。

Ansys 預應力閘墩 三維有限元

1 工程概況

岸堤水庫位于沂河一級支流東汶河上，總庫容7.49億m3，興利庫容4.51億m3，是一座以防洪為主，結合農業灌溉、城市供水等綜合利用的大（2）型水庫，也是山東省第二大水庫。除險加固后水庫樞紐由主壩、副壩、溢洪道（溢洪閘、溢流壩）、輸水洞和防汛道路五部分組成。

水庫溢洪閘共8孔，單孔設計凈寬18m，閘底板與閘墩采用分離式鋼筋混凝土結構，閘墩厚3.0m，閘室順水流向長度30.5m，垂直水流方向總寬度165m，為目前山東省內設計單孔寬度、擋水高度最大的水閘。工作閘門采用露頂式弧形鋼閘門。閘墩局部扇形受拉區采用預應力混凝土結構，弧門支座采用型鋼混凝土組合梁式錨體支座結構。

2 問題背景

一般水閘采用小跨度弧形閘門時，弧門支座承受的推力較小，可采用普通鋼筋混凝土閘墩?；￠T支座采用普通鋼筋混凝土牛腿結構，閘墩扇形受拉區輻射筋采用普通鋼筋即可滿足要求。

岸堤水庫溢洪閘閘孔凈寬達18m，中孔閘墩支鉸承受的最大法向推力達到10075kN，在弧門支座與閘墩的連接部位將產生較大的拉應力，且受拉區分布面積較大，若采用普通鋼筋混凝土閘墩及弧門支座，則難以滿足結構抗裂要求。經過綜合分析論證，設計采用型鋼混凝土組合梁式弧門支座結構代替傳統牛腿支座，并在閘墩局部扇形受拉區通過錨固在支座上的高強度鋼絞線來施加預應力，以抵消弧門水推力所產生的拉應力，解決閘墩局部扇形受拉區及與支座連接部位的承載能力及抗裂問題。

為了解設計方案中預應力閘墩扇形受拉區混凝土中應力應變分布規律，探究錨索與型鋼混凝土組合梁受力狀況，為工程提供可靠設計依據，考慮采用空間三維有限元分析方式對閘墩進行應力分析計算。以溢洪閘中孔為例，建立中墩的三維有限元模型，通過對典型工況下模型受力進行計算分析，對設計方案進行評價并提出建議。

3 計算方法

《水工混凝土結構設計規范》（DL/T5057-2009以下簡稱《規范》）對弧形閘門預應力混凝土閘墩頸部承載力計算及抗裂控制驗算均作了明確規定。本次分析遵循了該規范的相關計算規定。首先通過閘墩頸部正截面受拉承載力的計算初步確定預應力鋼筋數量，然后通過三維有限元分析法對閘墩頸部進行抗裂控制驗算。通過驗算對承載力預應力配筋進行校驗和調整優化，最終使設計模型滿足承載力及抗裂要求。

3.1閘墩頸部承載力極限狀態驗算

根據預應力閘墩的受力工況，閘墩頸部的正截面受拉承載力計算，可分為單側弧門推力作用情況和雙側弧門推力同時作用情況。單側弧門推力作用情況時，弧門推力作用于頸部截面之外，屬于大偏心受拉情況；而雙側弧門推力作用情況則為軸心受拉情況。

中墩采用對稱配筋，應同時考慮上述兩種受力情況，滿足以下要求：

在雙側弧門推力設計值作用下，應符合：

見《規范》（13.11.4-1）

在單側弧門推力設計值作用下，應符合：

見《規范》（13.11.4-2）

3.2閘墩頸部抗裂控制驗算

在弧門推力標準組合下，閘墩頸部抗裂控制應符合：

見《規范》（13.11.3）

弧形閘門預應力閘墩為空間結構，閘墩頸部的結構型式特殊，外形尺寸和邊界條件復雜，在弧門推力和預應力作用下呈三向應力狀態。由于截面上的應變分布不符合平截面假定，嚴格說，一般不能簡化成桿件結構來計算內力。因此，考慮采用三維有限元法對閘墩頸部進行三維應力分析，得到頸部截面混凝土法向應力后，再按《規范》13.11.3式對弧形閘門預應力閘墩頸部進行抗裂驗算。

4 計算模型的建立

岸堤水庫溢洪閘采用分離式鋼筋混凝土結構，計算取中孔的大底板和閘墩結構作為一個整體，根據結構設計圖建立三維有限元計算模型。

為了獲取閘墩頸部截面邊緣混凝土的法向拉應力分布情況，計算模型采用如下局部坐標系：以頸部截面法向為Y軸方向，弧門推力方向為正；在閘墩側表面內垂直于Y軸方向為X軸方向，向上為正；Z軸方向遵循右手法則，垂直于閘墩側表面指向閘墩外部。

計算采用的三維有限元模型包括23620個計算節點和17513單元。考慮到計算主要關心閘墩頸部應力分布情況，因此在閘墩上游面和閘底板底面均約束全部自由度。閘墩混凝土假定為各向同性、均勻連續的線彈性體。

閘墩預應力混凝土結構主要采用8節點六面體單元進行離散。為了避免錨頭預應力產生應力集中而引起計算誤差，將錨索預應力荷載扣除預應力損失后，轉化為均布荷載后施加到型鋼梁頂板上。在網格劃分時考慮了結構的幾何形狀、受力特性、材料分區以及預應力錨索的布置角度，對閘墩與型鋼混凝土梁結合部位（閘墩頸部）的網格進行細分，以求精確模擬閘墩、弧門支承型鋼混凝土梁和預應力錨索耦合作用下的整體復雜受力和變形特征；對遠離閘墩頸部的閘墩區域及閘底板逐漸放大單元尺寸，以控制計算規模，提高計算效率。

5 計算成果分析

5.1計算工況

共考慮三種運行工況：（1）閘門關閉，雙側擋水；（2）一側閘門關閉，一側閘門瞬間開啟；（3）一側閘門關閉，一側閘門開啟，單側擋水。

荷載工況組合包括閘墩自重、弧門水推力及錨束預加應力。

5.2計算成果分析

通過有限元分析計算可以看出：在弧門推力作用下，閘墩頸部受拉區邊緣混凝土法向拉應力存在明顯的應力集中現象，若以該處法向拉應力作為設計控制標準，很難滿足抗裂設計的要求，也不盡合理。因此，計算時以頸部受拉區邊緣至最外側錨束孔中心之間的混凝土法向拉應力平均值作為控制標準，在基本保證預應力錨束處不開

裂的前提下，減少預應力錨束的用量。按照以上原則計算出各工況下閘墩頸部抗裂分析成果，詳見表1。

表1 各工況下閘墩頸部抗裂分析成果表

由計算成果可以看出：

（1）工況1為閘墩雙側對稱受力，工況2為閘墩雙側非對稱受力，瞬間啟門側弧門水推力略大于對側弧門水推力，兩種工況受力狀況類似。閘墩頸部法向應力在閘墩厚度方向上分布比較均勻，最大法向拉應力出現在型鋼混凝土梁與混凝土的接觸點處，自接觸點處沿弧門推力相反方向的拉應力分布迅速衰減并發展為壓應力?？梢娫搩煞N工況下，閘墩混凝土預應力施加效果比較理想，閘墩頸部和閘墩的其它大部分區域基本上處于受壓狀態。閘墩頸部混凝土法向應力的平均值均為壓應力。

（2）工況3為閘墩單側受力，閘墩頸部法向應力分布在閘墩厚度方向上由拉應力過渡為壓應力，但應力分布仍以壓應力為主。閘墩頸部混凝土法向應力的平均值雖為拉應力，但應力平均值較小，能夠滿足規范要求。

6 結論

（1）當水閘采用大跨度弧門擋水時，支座承受的水推力通常很大，導致閘墩頸部大部分區域的表層混凝土內將產生較大的拉應力，普通鋼筋混凝土結構難以滿足設計要求，因此采用部分預應力閘墩結構是必要的，預應力的施加可以有效改善閘墩頸部混凝土的受力狀況。

（2）工況3為單側弧門推力作用情況，閘墩頸部應力呈大偏心受拉狀態。分析表明，此情況下閘墩頸部受拉區邊緣的最大拉應力可以達到雙側對稱受力情況的1.5倍左右，為頸部受力最不利工況。設計時應對此工況給予足夠關注。

（3）弧門支座處鋼梁懸臂段與閘墩混凝土相交處存在應力集中現象，設計時應采取構造措施防止該區域混凝土的局部拉裂。一般可以采取預應力筋和非預應力筋的混合配筋方案。配置非預應力筋有利于控制該局部區域裂縫發展，增強交界處混凝土的延性性能。

1 《水工混凝土結構設計規范》(DL/T5057-2009)[S].2010. 07.中國電力出版社.

2 楊曉紅等. 預應力閘墩結構設計中幾個關鍵問題的探討[J]. 紅水河. 2004.04.

3 趙長海. 預應力錨固技術[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2001. 12.

4 徐遠杰等. 三板溪大噸位預應力邊墩三維有限元分析[J].長江科學院院報, 2005.22(3).

5 賀采旭, 李傳才等. 大推力預應力閘墩的設計方法[J].水利水電技術, 1997,(6).

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.07.025

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1672-2469(2014)07-0080-03

高開緒（1976年—），男，高級工程師。