基于COMSOL Multiphysics的溢流壩預應力閘墩數值分析

華 中，王 曉，戚會剛

(淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇 漣水 223400)

1 工程概況

某工程泄洪建筑物為溢流壩，各溢流壩段長分別為26.5、18.5、18.5、17m。溢流表孔共設4孔，孔口尺寸13m×21m，堰頂高程87.0m，每孔設弧形工作閘門，弧形閘門尺寸13m×24.5m，擋水情況下，弧門總推力56000kN，采用液壓啟閉機操作，上游設平板檢修門，下游設置電纜溝。表孔閘墩為預應力閘墩，型式為寬尾墩，閘墩全長49m，墩頭采用半圓形，半徑2m，閘墩寬尾段長15.15m，孔口收縮比0.5，孔口縮窄后出口寬度6.5m，墩尾厚13m。兩側邊墩以下設導墻，導墻墻頂高程由96.50m漸變至80.0m。

溢流堰面曲線采用WES曲線，曲線方程為y=0.0432×1.85，下接1∶0.632的直線段和半徑25m的反弧段，再接戽流消力池。溢流壩采用孔中分縫，閘墩厚4.5m，閘墩上游懸挑3.1m，在高程81.1m挑出溢流壩上游面，墩頂頂部再懸挑1.5m布置壩頂公路橋梁。溢流壩壩體上游面鉛直，下部為1∶0.2折坡，折坡點高程71.0m。

戽流消力池底板高程40m，消力池水平段長20m，消力池底板厚5m，其后設斜坡消力坎，陡坎高度8m，消力坎坡比為1∶2，戽流消力池總長54.7m。消力池底板下設錨筋φ32@1.5m，入巖9.0m。

2 錨塊及錨索布置

2.1 錨塊布置[1]

弧門支座(錨塊)采用簡單型錨塊，錨塊底部與閘墩之間采用“三油兩氈”分隔層連接，錨塊伸出閘墩外2.7m，平面尺寸7m×6.15m(寬×高)，如圖1所示。

圖1 閘墩結構布置圖(單位：mm)

2.2 錨索布置[2]

中墩各側面沿閘墩高度方向布置5層，每層3排，共30根，長度分別為33、29m，各層長短相間布置，最外側主錨索距閘墩邊緣0.6m，排距0.6m，相鄰2層錨索間的擴散角4.0°，如圖2所示。

圖2 中墩錨索和錨塊結構布置圖(單位：mm)

邊墩在擋水側布置3排5層的預應力主錨索，布置方式同中墩，在另外一側布置1排3層的預應力張拉平衡錨索，如圖3所示。

圖3 邊墩錨索和錨塊結構布置圖(單位：mm)

錨索端部通過錨墊板與閘墩和錨塊直接接觸。

水平次錨索在錨塊上游面布置2排，相鄰2排的間距為1.0m，距錨塊上游邊緣1.0m，在錨塊下游面布置一排，距錨塊下游邊緣1.0m，每排4根，共12根。

在閘墩主錨索上游端預留5個直徑為1.5m的張拉孔，以便預應力錨索張拉施工，施工完畢后再用微膨脹混凝土回填封堵，以確保閘墩結構的整體性。

鋼絞線采用Φ15.2mm(7Φ5)高強低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2mm，抗拉強度標準值1860MPa。單束主錨索由36股鋼絞線組成，次錨索由18股鋼絞線組成[3]。主錨索預應力為5400kN，次錨索預應力為2800kN。

3 計算模型及工況

根據溢流壩段閘墩設計方案，分別選取中墩和邊墩為研究對象，將溢流堰、閘墩以及錨塊按等比例建立三維有限元模型[4- 5]?；炷敛捎贸嶓w單元，溢流堰單元尺寸為0.5m[6]，閘墩單元尺寸為0.2～0.5m，錨塊單元尺寸為0.2m。中墩模型共36.5萬個單元，25.5萬個節點，如圖4所示。

圖4 中墩計算模型和錨塊三維網格圖

邊墩模型共28.7萬個單元，20.8萬個節點，如圖5所示。

圖5 邊墩計算模型和錨塊三維網格圖

預應力錨索采用一維桿單元進行模擬，只計軸向拉力，不計剪力和彎矩[7- 8]。

模型坐標系統為：x軸沿水流方向；y軸沿壩軸線方向；z軸豎直向上。

根據閘墩受力特點，就主要控制工況進行計算，中墩計算工況及荷載組合見表1[9]。

表1 中墩計算工況及荷載組合

邊墩計算工況及荷載組合見表2。

表2 邊墩計算工況及荷載組合

4 計算成果與分析

經數值計算，中墩和邊墩在不同工況下的位移見表3。

表3 不同工況下最大位移匯總表 單位：mm

中墩和邊墩在不同工況下的應力見表4。

表4 不同工況下最大應力匯總表 單位：MPa

中墩頸部應力最不利工況為工況A3，工況A3位移計算結果如圖6—7所示。

圖6 工況A3中墩總位移(左)和x向位移(右)圖(單位：m)

圖7 工況A3中墩y向位移(左)和z向位移(右)圖(單位：m)

閘墩各部位應力計算結果如圖8—10所示。

圖8 工況A3中墩頸部第一(左)和第三(右)主應力圖(單位：kN/m2)

圖9 工況A3中墩張拉孔第一(左)和第三(右)主應力圖(單位：kN/m2)

圖10 工況A3中墩錨塊第一(左)和第三(右)主應力圖(單位：kN/m2)

邊墩頸部應力最不利工況為工況B2，工況B2位移計算結果如圖11—12所示。

圖11 工況B2邊墩總位移(左)和x向位移(右)圖(單位：m)

圖12 工況B2邊墩y向位移(左)和z向位移(右)圖(單位：m)

閘墩各部位應力計算結果如圖13—15所示。

圖13 工況B2邊墩頸部第一(左)和第三(右)主應力圖(單位：kN/m2)

圖14 工況B2邊墩張拉孔第一(左)和第三(右)主應力圖(單位：kN/m2)

圖15 工況B2邊墩錨塊第一(左)和第三(右)主應力圖(單位：kN/m2)

由表3—4、圖6—15可看出：①中墩頸部截面受拉區邊緣至最外側主錨束孔中心之間的混凝土法向拉應力的平均值最大為1.20MPa[2]，發生在工況A3(一側閘門擋水，一側泄水)；邊墩頸部法向拉應力平均值為1.42MPa，發生在工況B2(閘門擋水)。②中墩頸部表面最大拉應力為2.85MPa，邊墩頸部表面最大拉應力為3.76MPa，均大于混凝土抗拉強度，范圍較小，且沿軸線方向很快衰減。③中墩錨塊的最大拉應力發生在工況A3(一側閘門擋水，一側泄水)，最大拉應力為1.35MPa，位于錨塊閘墩交接處，最大壓應力為20.57MPa，位于錨塊底部與閘墩邊緣接觸部位；邊墩錨塊的最大拉應力發生在工況B2(閘門擋水)，最大拉應力為1.61MPa，位于錨塊閘墩交接處，最大壓應力為15.12MPa，位于錨頭與錨塊接觸部位，為應力集中區域。④中墩張拉孔的最大拉應力發生在工況A2(兩側閘門擋水)，最大值為4.18MPa；邊墩張拉孔的最大拉應力發生在工況B2(閘門擋水)，最大值為3.93MPa。兩者均大于混凝土的抗拉強度，位于張拉孔上下邊緣。⑤由于采用的是分離式錨塊，錨塊底部與閘墩連接部位在施工和運行過程中會出現應力集中區域，但分布范圍較小。

5 結語

本文采用三維有限元法，借助COMSOL Multiphysics數值分析平臺，對溢流壩預應力閘墩進行靜力特性分析，得到如下結論。

(1)中墩頸部截面受拉區邊緣至最外側主錨束孔中心之間的混凝土法向拉應力的平均值為1.20MPa，邊墩頸部法向拉應力平均值為1.42MPa，均滿足規范要求的頸部應力控制標準1.67MPa(0.7ftk=0.7×2.39=1.67MPa)。

(2)中墩和邊墩頸部表面局部最大拉應力均大于混凝土抗拉強度，但其范圍較小，且沿軸線方向很快衰減，可以通過配置非預應力鋼筋來限制閘墩表面裂縫的開展。

(3)中墩錨塊整體壓應力水平均小于C40混凝土的抗壓強度設計值(19.1MPa)，僅在中墩錨塊與閘墩交接的角點處存在應力集中，最大壓應力為20.57MPa，范圍極小，不影響結構安全；邊墩錨塊的最大壓應力為15.12MPa，均小于C40混凝土的抗壓強度設計值(19.1MPa)。

(4)在張拉孔上下邊緣以及錨塊底部與閘墩連接部位局部會產生較大拉應力，超過混凝土的抗拉強度，這些區域應加強配筋來控制裂縫開展。