基于ANSYS的預應力閘墩結構布置研究

唐克東，孫留穎

(華北水利水電大學，河南 鄭州450045)

近幾年來，我國在預應力錨固技術的張錨體系和施工工藝、材料和設備以及預應力設計理論等方面積累了十分豐富的實踐經驗，并進行了較深入的理論研究［1］.預應力混凝土技術，通過實踐證明便于施工定位和縮短工期，在獲取更高的經濟技術效益方面呈現出明顯優勢［2］，故在水工結構工程中的弧形閘門支墩錨固等部位得到了廣泛應用［3］. 結構選型過程中，所選類型應考慮其自身強度、剛度、構造上的要求，使各部位的尺寸合理［4］. 以往的計算大多采用彈性地基梁的方法進行，且認為地基是無限均質體，而有限元分析可以將地基和上部結構統一劃分單元，從而使閘室地基協調一致、共同變形.有限元法實質是一種在物理或工程問題的數學模型上進行近似數值計算的方法［5］.ANSYS 程序作為一個功能強大的設計分析及優化軟件包，具有以下特點:①ANSYS 是完全的WINDOWS 程序，從而使應用更加方便;②產品系列由一整套可擴展的、靈活集成的各模塊組成，因而能滿足各行各業的工程需要;③它不僅可以進行線性分析，還可以進行各類非線性分析;④它是一個綜合的多物理場耦合分析軟件，用戶不但可用其進行諸如結構、熱、流體流動、電磁等的單獨研究，還可以進行這些分析的相互影響研究，例如:熱—結構耦合，磁—結構耦合以及電—磁—流體—熱耦合等.因泄洪閘墩及弧門支承牛腿承受弧門傳遞的較大水推力，加上閘墩內預應力主錨索和上游端錨固豎井的布置，以及支承牛腿內次錨索的作用，使得閘墩和錨塊的結構及受力更加復雜.因此，須通過三維有限元計算了解閘室段的應力、應變分布規律.

1 計算模型

某泄洪閘為3 孔開敞式平底閘，孔口尺寸均為12.6 m×19.5 m.泄洪閘閘室段長49 m，設有2 個邊墩和2 個中墩，底板中間分施工縫.每孔閘設平板檢修閘門(3 孔共用一扇檢修門)和弧形工作門各一道，弧門支座牛腿為預應力錨塊，在錨塊下部設一條永久縫，縫內涂抹黃油. 弧門單支鉸最大推力14 500 kN［6］.主錨索立面布置如圖1所示.

圖1 主錨索立面布置圖

取1#泄洪閘為計算對象，沿壩軸線(垂直水流方向)按分縫選取(左側為左邊墩左邊界、右側為2#泄洪閘底板中縫)，基礎深度取一倍閘室高度50 m，基礎上、下游長度(順水流方向)分別取30 m 和50 m，基礎沿壩軸線寬度同閘室.

4 個側向地基表面分別施加與側面相垂直的剛性鏈桿約束，底面施加豎向剛性鏈桿約束.其余結構表面均為自由面［7］.

圖2 泄洪閘三維有限元網格圖

2 計算結果與分析

2.1 錨 塊

在各種工況下，左墩錨塊部位的應力工況1 最不利，工況6 與工況1 基本相同，其他工況下的應力均好于工況1.工況1 下σx'拉應力區域從閘墩表面

在正常蓄水位1 436.00 m 時，工作弧門單支鉸最大荷載14 500 kN;自重荷載按體積考慮;預應力荷載均按永存噸位考慮，主錨索永存噸位3 000 kN，拉錨比2.07，次錨索永存噸位2 400 kN;縫內水壓力分為一道止水上、下游水位和兩道止水內外有無水兩種情況;閘室側向水壓力包括閘墩內外側向水壓力;溫度荷載按結構內溫度均勻降低11.6 ℃考慮.計算分9 種工況，見表1.單元網格劃分如圖2—3 所示.沿z'方向向閘墩內延伸0. 675 m，最大拉應力為3 172.9 kPa，如圖4所示. σy'方向的拉應力基本在300 kPa 以內.σz'方向的最大拉應力為1 656 kPa.

圖3 泄洪閘錨塊有限元網格圖

右墩錨塊部位的應力工況2 最不利.工況2 下σx'拉應力區域從閘墩表面沿z'方向向閘墩內延伸0.52 m，最大拉應力為2 246.7 kPa.

表1 泄洪閘計算工況

圖4 左墩錨塊上游面與泄洪閘孔中心線剖面交線σx'變化圖

2.2 閘墩支鉸區

在各種工況下，左墩支鉸區的應力工況1 最不利，工況6 與工況1 基本相同，其他工況各方向均好于工況1，基本為壓應力.工況1 下在靠近錨塊上游面3.98 m 長度范圍內的閘墩支鉸區出現了σx'拉應力，最大值為3 262.2 kPa，如圖5所示.σy'方向的最大拉應力基本為227.18 kPa.σz'方向的最大拉應力為1 656 kPa.

右墩支鉸區的應力工況2 最不利，工況7 與工況2 基本相同，其他工況出現的σx'拉應力均小于工況2.工況2 下在靠近錨塊上游面2.98 m 長度范圍內的閘墩支鉸區出現了σx'拉應力，最大值為2 423.4 kPa.

圖5 左墩右側面與泄洪閘孔中心線剖面在閘墩錨索長度范圍內交線σx'變化圖

2.3 閘墩根部

工況5 下左閘墩左側根部出現了σy拉應力，最大值在600 kPa 以內，如圖6所示.

在設計洪水和校核洪水情況下，一道止水時左閘墩根部基本處于受壓狀態;兩道止水時閘墩根部x，y，z 三個方向都出現了拉應力，σy拉應力最大，其值為7 435.1 kPa，超出了混凝土的抗拉強度而無法滿足抗裂設計要求［8］.因此，兩道止水方案不可取.

在設計洪水和校核洪水情況下，一道止水時右閘墩根部處于受壓狀態;兩道止水時閘墩根部x，y，z三個方向都出現了較大的拉應力，σy拉應力最大，其值為1 910.6 kPa.

圖6 工況5 左邊墩左側σy 等值線圖(單位:kPa)

3 結 語

1)泄洪閘正常運用時，閘墩施加預應力可有效消除弧門推力在閘墩及錨塊上產生的拉應力. 當泄洪閘、廠房永久結構縫設置一道止水時，閘墩根部、檢修門槽、頂部連接板等部位的混凝土應力狀態滿足設計控制要求.左墩錨塊部位的應力最大拉應力為3 172. 9 kPa，閘墩支鉸區拉應力最大值為3 262.2 kPa，閘墩支鉸區及錨塊局部存在大于C40混凝土抗拉標準強度的拉應力，不能完全滿足設計要求.建議在結構布置允許的情況下作進一步調整.

2)當泄洪閘、廠房永久結構縫設置兩道止水時，閘墩尤其是左墩內側閘墩與底板交接線上部區域存在較大的拉應力，不能滿足閘墩混凝土抗裂設計要求.因此，設計不應采用兩道止水方法.

［1］黎軍.蘇北平原某水閘閘墩混凝土開裂主導因素的定量分析［J］. 華北水利水電學院學報，2009，30(6):47－50.

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［3］鄭小平，熊增生，徐倩，等.四川橫江萬年橋水電站泄洪沖砂閘門制造及施工技術［J］. 華北水利水電學院學報，2011，32(1):23－26.

［4］陳霞，丁正中，楊光，等.大跨度液壓上翻轉式閘門的研究與應用［J］.華北水利水電學院學報，2010，31(6):19－22.

［5］彭成山，袁淮中，王甜. 南水北調工程七里河水閘的三維有限元分析［J］. 華北水利水電學院學報，2010，31(3):12－13，18.

［6］唐克東，郭雪莽，趙順波，等.巴貢水電站溢洪道預應力閘墩三維有限元計算分析［R］.鄭州:華北水利水電學院，2004.

［7］中水東北勘測設計研究有限責任公司. SL 212—2012水工預應力錨固設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［8］水利部長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院. SL 191—2008 水工混凝土結構設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2008.