預(yù)應(yīng)力閘墩有限元分析

胡森

摘? 要：根據(jù)某水電站泄洪閘孔閘墩結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力錨索布置方案，應(yīng)用有限元程序ANSYS建立三維有限元模型，比較預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力情況下閘墩受力性能，驗證預(yù)應(yīng)力錨索布置方案的合理性，為工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力閘墩;錨索;泄洪閘;有限元

中圖分類號：TV662+.2 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0062-03

Abstract： According to the structure of the pier and the pre-stressed anchor layout of the spillway gate of a hydropower station， the finite element program ANSYS was used to establish a three-dimensional finite element model， compare the mechanical performance of the pier under pre-stressed and non-prestressed conditions， and verify the rationality of the pre-stressed anchor layout， so as to provide a reference for engineering design.

Keywords： pre-stressed pier; anchor; floodgate; finite element

1 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計

某水電站布置有7孔泄洪閘，擬采用預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)，弧門總推力為2×16000kN。閘墩錨索布置分主錨索和次錨索，主錨索長20m，次錨索長8.8m。中墩主錨索在閘墩立面上作扇形布置，設(shè)5層，每層4根，總擴散角24°，相鄰兩層主錨索擴散角6°，預(yù)應(yīng)力主錨索合力作用線通過弧門支鉸中心。錨塊在受到弧門推力和主錨索張拉力作用下，在垂直主錨索方向會出現(xiàn)次生拉應(yīng)力，為改善錨塊應(yīng)力狀態(tài)，在錨塊內(nèi)水平方向布置了3列次錨索，每列4根，錨固端設(shè)在錨塊左右兩側(cè)?？p墩及邊墩主錨索布置5層，每層3根，次錨索水平方向布置3列，每列4根，縫墩和邊墩錨索布置形式同中墩。錨索采用7Φ5（Φ15.2）高強低松弛鋼絞線，強度標準值1860MPa單根主錨索設(shè)計永存噸位2000kN，次錨索設(shè)計永存噸位1000kN。中墩錨索布置見圖1。

閘墩混凝土分區(qū)：鉸支座部位采用C40混凝土，其余部位采用C35混凝土。

2 三維有限元分析

2.1 計算模型與假定

本次計算主要分析比較閘墩預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力條件下工作性態(tài)，驗證閘墩預(yù)應(yīng)力錨索布置的合理性，對模型荷載和邊界條件進行了簡化，考慮如下基本假定[1-4]：

（1）閘墩混凝土符合小變形情況下的線彈性基本假

定，即按空間線彈性理論進行結(jié)構(gòu)有限元分析。

（2）模型未計入地基巖體的影響，僅考慮上部閘墩結(jié)構(gòu)。

（3）計算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、單側(cè)/雙側(cè)弧門推力、錨索預(yù)應(yīng)力，未考慮兩側(cè)水壓力對閘墩的影響。

（4）錨索預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加，錨索與混凝土節(jié)點進行耦合求解。

選取泄洪閘中墩進行三維有限元分析，模型范圍為中墩兩側(cè)閘孔中-中距離。模型底部及兩邊閘孔底板邊界采用法向鏈桿約束。順河向為X軸，指向下游為正，豎向為Y軸，豎直向上為正。采用有限元程序ANSYS對預(yù)應(yīng)力閘墩進行分析，中墩結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示，其單元總數(shù)82049個，節(jié)點總數(shù)72827個。

2.2 計算成果分析

2.2.1 單側(cè)弧門推力作用下非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力比較

（1）由表1可知，非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力條件下閘墩變形均不大，順水流向最大位移位于弧門推力作用處，橫向最大位移位于閘墩尾部頂端處，豎向最大位移位于閘墩上游頂端處。非預(yù)應(yīng)力條件下相較預(yù)應(yīng)力條件下各向最大位移略大。

（2）靠近支座附近扇形區(qū)域徑向應(yīng)力如圖3、圖4，由圖可知，非預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，徑向總拉力10569.63kN;預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，徑向總壓力-25785.59kN。可見預(yù)應(yīng)力錨索對閘墩結(jié)構(gòu)起到了很好的預(yù)壓效果。

2.2.2 雙側(cè)弧門推力作用下非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力比較

（1）由表2可知，非預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力條件下閘墩變形均不大，順水流向最大位移位于弧門推力作用處，因荷載對稱橫向位移可忽略不計，豎向最大位移位于閘墩上游頂端處。非預(yù)應(yīng)力條件下相較預(yù)應(yīng)力條件下各向最大位移略大。

（2）靠近支座附近扇形區(qū)域徑向應(yīng)力如圖5、圖6，由圖可知，非預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，徑向總拉力24583.84kN;預(yù)應(yīng)力條件下扇形區(qū)域徑向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，徑向總壓力-11810.62kN。可見預(yù)應(yīng)力錨索對閘墩結(jié)構(gòu)起到了很好的預(yù)壓效果。

3 結(jié)束語

結(jié)合泄洪閘孔預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)工程實例，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力和變形進行了分析，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨索大大改善了支座附近應(yīng)力狀態(tài)，達到了很好的預(yù)壓效果，錨索布置方案可行。

參考文獻：

[1]夏菲菲，張宗亮，張?zhí)靹?糯扎渡新型預(yù)應(yīng)力閘墩工作性態(tài)研究[J].云南水力發(fā)電，2007，23（4）：33-38.

[2]石太軍，楊德超.深溪溝水電站泄洪閘預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計[J].水電站設(shè)計，2013，29（2）：31-33.

[3]陳滿圈，王新軍，王愛萍.燕山水庫泄洪閘預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計[J].水電能源科學(xué)，2009，27（6）：110-112.

[4]蘇超，徐匯，陳鵬，等.預(yù)應(yīng)力閘墩頸縮式空腔結(jié)構(gòu)體形優(yōu)化[J].水電能源科學(xué)，2016，34（12）：117-120.