不同荷載工況下樞紐水閘錨索結(jié)構(gòu)特性分析

程天競

(淮安市水利工程建設(shè)管理服務(wù)中心，江蘇 淮安 223300)

通常水閘在開閘泄水時(shí)，由于其泄流流量較大、工作水頭較高或者孔口尺寸較寬等影響因素[1]，閘門所承受的水推力驅(qū)動(dòng)值亦隨之增大[2]。閘門在水壓力驅(qū)動(dòng)下通過弧門支承體傳遞至閘墩[3]，使得支承體與閘墩間的連接部位即頸部產(chǎn)生巨大的集中拉應(yīng)力[4]，頸部上游閘墩中亦會(huì)形成較大面積的拉應(yīng)力區(qū)[5]。而泄水閘室作為一種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體系[6]，傳統(tǒng)的計(jì)算方法較難真實(shí)地反映其時(shí)空受力狀態(tài)，這便給設(shè)計(jì)工作者提出了一個(gè)難題。若采用普通鋼筋混凝土閘墩結(jié)構(gòu)，較難達(dá)到結(jié)構(gòu)的抗裂和限裂要求，其會(huì)造成拉應(yīng)力值及變形均增大，結(jié)構(gòu)物的耐久性亦會(huì)降低[7]。

為保證結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到承載能力與正常使用這兩種極限狀態(tài)的條件。有設(shè)計(jì)工作者通常在弧門支承結(jié)構(gòu)中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)[8]，使得錨索在預(yù)壓驅(qū)動(dòng)作用力下可以全部或部分補(bǔ)償弧門推力驅(qū)動(dòng)下的拉應(yīng)力[9]，預(yù)應(yīng)力技術(shù)的實(shí)施方法一般為在閘墩與支承體結(jié)構(gòu)間的頸部布設(shè)高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線預(yù)設(shè)壓應(yīng)力[10]。

而在預(yù)應(yīng)力體系、錨索布置及應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)等方面，更多的采用經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)的成果[11]。基于上述研究背景，為了研究并發(fā)展預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論使之達(dá)到更安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的要求，以滿足現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)在弧形門閘墩中的應(yīng)用。本文依托某泄洪閘的地形地質(zhì)、結(jié)構(gòu)受力條件，利用三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)和方法、借助有限元分析軟件，研究了泄洪閘閘室結(jié)構(gòu)在施工期、服役后各特征水位運(yùn)行工況條件下的應(yīng)力與變形特性。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算參數(shù)

某泄洪閘位于江蘇省境內(nèi)，為一個(gè)3孔泄洪閘，孔口尺寸長×寬=17.00m×7.00m，閘室沿順?biāo)飨虻拈L度為65.00m，閘底板的頂高程為620.00m，底板厚為7.00m，左、右兩邊墩厚均為4.00m，中墩厚為5.00m，閘墩采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)。閘室胸墻前、后分別為平板檢修門與弧形工作門。其中，弧形門采用2×4000kN的液壓式啟閉機(jī)，3孔閘共享1扇平板檢修門。其結(jié)構(gòu)混凝土、基礎(chǔ)巖石、鋼筋及低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線材料參數(shù)見表1—3。其中，泄洪閘的底板、閘墩、閘墩與底板二者之間的過渡區(qū)域、預(yù)應(yīng)力混凝土錨塊的混凝土的標(biāo)號分別為C25、C30、C40和C45。

1.2 計(jì)算范圍及邊界條件

根據(jù)本工程實(shí)際地質(zhì)條件并借鑒已有工程經(jīng)驗(yàn)，泄洪閘計(jì)算時(shí)基礎(chǔ)選取的寬度取為計(jì)算塊自身寬度再分別向上下游面各取1.50倍控制段高度，可知閘墩的計(jì)算樁號上、下游分別均取至閘0-055.00m、0+120.00m處；豎直向沿建基面以下取1.50倍控制段高度，可知閘墩的計(jì)算高程在豎直向往下均取至高程處，即▽546.00m，向上取至堰頂高程處，即▽662.50m。

表1 不同混凝土計(jì)算參數(shù)

表2 壩基巖石材料計(jì)算參數(shù)表

表3 鋼材計(jì)算參數(shù)

視巖石基礎(chǔ)底邊均為固定邊界，即計(jì)算時(shí)將底邊進(jìn)行全約束；巖石基礎(chǔ)上、下游邊及基礎(chǔ)兩側(cè)邊均分別按平面應(yīng)變問題處理，即將巖石基礎(chǔ)上、下游邊進(jìn)行水平順河x向位移約束，將巖石基礎(chǔ)兩側(cè)邊沿壩軸線進(jìn)行水平z向位移約束。視泄洪閘巖石基礎(chǔ)、控制段均為各向同性、均勻連續(xù)的線彈體，視泄洪閘混凝土為不透水體，視庫水壓力、揚(yáng)壓力驅(qū)動(dòng)均只作用在相關(guān)面上。

1.3 網(wǎng)格劃分

預(yù)應(yīng)力混凝土錨塊方案的計(jì)算方法為：取整體泄洪閘以及相應(yīng)的巖石基礎(chǔ)為有限元模型進(jìn)行計(jì)算，泄洪閘整體模型網(wǎng)格的劃分如圖1所示。其中，為滿足局部應(yīng)力梯度變化較大的要求，網(wǎng)格劃分時(shí)需將其進(jìn)行加密。例如，預(yù)應(yīng)力預(yù)留施工平孔的周邊、錨頭以及混凝土錨塊等部位。本次計(jì)算中，泄洪閘預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)總計(jì)算單元數(shù)為110864，求解自由度數(shù)為330257。

圖1 泄洪閘整體模型網(wǎng)格

1.4 預(yù)應(yīng)力錨索布設(shè)

布設(shè)的主錨索預(yù)應(yīng)力噸位見表4。

表4 主錨索預(yù)應(yīng)力噸位表

預(yù)應(yīng)力采用5×7φ15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線。極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1260MPa。泄洪閘左邊墩布設(shè)3排主錨索，第1排主錨索距離邊墩最左邊60cm，第2排主錨索距離邊墩最左邊280cm，第3排主錨索距離邊墩最左邊340cm。泄洪閘右邊墩主錨索布置與左邊墩對稱。拉錨系數(shù)取1.8，次錨取主錨噸位的40%計(jì)算。

1.5 計(jì)算坐標(biāo)系組合

整體直角坐標(biāo)系設(shè)置。順河向?yàn)樽鴺?biāo)軸x正向，且x坐標(biāo)值與結(jié)構(gòu)布置樁號保持一致。豎直向?yàn)樽鴺?biāo)軸y正向，且y坐標(biāo)值與結(jié)構(gòu)布設(shè)高程保持一致。z向利用右手坐標(biāo)系的規(guī)定，即從樞紐左岸向右岸為z的正向。

錨索局部直角坐標(biāo)系oxyz設(shè)置。為了更好地整理結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的效果，設(shè)局部直角坐標(biāo)系為：以預(yù)留平孔C的圓點(diǎn)為局部直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，以中間層(穿過預(yù)留平孔C)主錨索向?yàn)閤軸(順流向?yàn)檎?，沿壩軸線為z軸(向右岸為正)，y軸垂直于xz平面(向上為正)。

預(yù)留孔局部柱坐標(biāo)系orθz設(shè)置。為了便于整理預(yù)留平孔周邊的徑向與環(huán)向應(yīng)力分布規(guī)律，設(shè)各預(yù)留平孔的局部柱坐標(biāo)系為：以各預(yù)留孔的圓心為柱坐標(biāo)系rθz的原點(diǎn)，沿壩軸線為z軸正向，閘墩立面逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)榄h(huán)向坐標(biāo)θ正向，且θ=0時(shí)，徑向r正向與穿過各孔的主錨索方向一致。

1.6 計(jì)算荷載及工況組合

該泄洪閘壩段結(jié)構(gòu)在施工、各特征水位運(yùn)行工況條件下的應(yīng)力與變形。具體特征水位如圖2所示。

圖2 泄洪閘運(yùn)行工況特征水位

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，混凝土泄洪閘預(yù)應(yīng)力計(jì)算荷載主要有：計(jì)算塊自重、靜動(dòng)水壓力、工作弧型閘門推力、揚(yáng)壓力、主次錨預(yù)應(yīng)力、水壓重、地震荷載。計(jì)算工況組合見表5。

2 計(jì)算結(jié)果分析

本次不同荷載工況下樞紐水閘錨索結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析主要包括靜力計(jì)算成果與分析與地震作用計(jì)算成果與分析。

表5 計(jì)算工況組合

2.1 靜力作用計(jì)算成果與分析

各工況組合靜力條件下，經(jīng)計(jì)算可得：

(1)泄洪閘結(jié)構(gòu)的計(jì)算位移值與相對變形量級均不大，且發(fā)生部位均出現(xiàn)在各墩的尾部，結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)膭偠取?/p>

(2)整體上過半數(shù)部位拉應(yīng)力值均未超過相應(yīng)混凝土材料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)在弧門推力的驅(qū)動(dòng)作用下，模型錨塊頸部與閘墩立面上均發(fā)現(xiàn)有局部、淺表層的拉應(yīng)力值大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的情況。

(4)預(yù)壓應(yīng)力可以較大程度改善閘墩頸部區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài)，但當(dāng)一關(guān)一開工況時(shí)，關(guān)閉側(cè)弧門推力驅(qū)動(dòng)作用下的拉應(yīng)力值較大，致使預(yù)壓應(yīng)力無法平衡。

(5)主錨預(yù)留平孔的混凝土模型環(huán)向表現(xiàn)出了較大拉應(yīng)力；此外，在錨頭作用部位的徑向以及沿閘墩的厚度方向亦均出現(xiàn)了拉應(yīng)力。環(huán)、徑向拉應(yīng)力可由結(jié)構(gòu)配筋除控；后者沿墩厚向的拉應(yīng)力可借助錨頭的環(huán)向鋼筋與鋼墊塊解決。

2.2 地震作用計(jì)算成果與分析

地震驅(qū)動(dòng)條件下，經(jīng)計(jì)算可得：

(1)沿壩軸線方向地震驅(qū)動(dòng)作用為該工況中的主要控制工況，沿壩軸線方向地震的驅(qū)動(dòng)作用對閘墩和錨塊位移影響均較大，尤其是沿壩軸線水平位移和不均勻變形均表現(xiàn)出大幅度增大的現(xiàn)象，一般峰值可達(dá)20～30cm。

(2)地震驅(qū)動(dòng)作用后閘墩內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生了變化，其尾部下方因地震驅(qū)動(dòng)作用出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力值；此外，模型混凝土與錨塊頸部、胸墻尾部以及底板流道尾部峰值應(yīng)力亦均有不同程度的增大，但變化值的影響范圍均較小。

(3)擬靜力方法與反應(yīng)譜方法計(jì)算結(jié)果峰值和分布規(guī)律基本相同。

3 結(jié)語

(1)靜力驅(qū)動(dòng)作用下，該結(jié)構(gòu)各工況組合計(jì)算的位移與相對變形量級均不大，整體上過半數(shù)部位拉應(yīng)力值均未超過相應(yīng)混凝土材料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。在弧門推力的驅(qū)動(dòng)作用下，模型出現(xiàn)局部拉應(yīng)力值大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的現(xiàn)象。預(yù)壓應(yīng)力可以較大程度改善閘墩頸部區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài)，但當(dāng)一關(guān)一開工況時(shí)，關(guān)閉側(cè)弧門推力驅(qū)動(dòng)作用下的拉應(yīng)力值較大，會(huì)致使預(yù)壓應(yīng)力無法平衡。

(2)地震驅(qū)動(dòng)作用下，計(jì)算結(jié)果對閘墩和錨塊位移影響均較大；地震驅(qū)動(dòng)作用后閘墩內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生了變化，其尾部下方出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力值；此外，模型局部峰值應(yīng)力亦有不同程度的增大，但變化值的影響范圍均較小。采用擬靜力方法與反應(yīng)譜方法計(jì)算結(jié)果峰值和分布規(guī)律基本一致。

(3)數(shù)值模擬分析時(shí)眾多假設(shè)因素均會(huì)引起有限元軟件仿真結(jié)果值與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果值存有微小差異，但總體變化規(guī)律趨于一致，該方法驗(yàn)證了有限元模擬的可行性，可為同類樞紐水閘錨索結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定參考。