膠結(jié)式內(nèi)錨固預(yù)應(yīng)力閘墩的非線性接觸分析

周偉，楊勝，成磊，李守義

(1.四川大渡河雙江口水電開發(fā)有限公司，四川馬爾康624000;2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都610072;3.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610041;4.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048)

高拱壩工程中布置在壩體上的諸如底孔、深孔閘墩這樣的大型結(jié)構(gòu)，由于其工作水頭大、弧門承受推力大而使其應(yīng)力狀況嚴(yán)重惡化［1］。因此，必須采用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)解決這一工程難題，同時應(yīng)用有限元計算理論對預(yù)應(yīng)力錨固體系設(shè)計的合理性進(jìn)行校核并指導(dǎo)受力結(jié)構(gòu)布置、配筋設(shè)計和實際施工組織設(shè)計。

閘墩內(nèi)錨固區(qū)的受力狀態(tài)是需要妥善解決的技術(shù)問題之一，其受力狀態(tài)比一般端錨固構(gòu)件更加復(fù)雜，需要考慮空間效應(yīng)、群錨效應(yīng)。筆者應(yīng)用有限元方法對膠結(jié)式內(nèi)錨固閘墩進(jìn)行了計算，不僅對單根錨固效果進(jìn)行了模擬計算分析，而且將研究成果最終用于了實際預(yù)應(yīng)力閘墩工程的群錨體系計算中。

1 單根錨索的數(shù)值模擬

膠結(jié)式錨固多屬于直錨，廣泛用于地下工程圍巖支護(hù)，壩體、壩基加固，邊坡加固，結(jié)構(gòu)抗浮，結(jié)構(gòu)抗傾，懸索結(jié)構(gòu)抗力型基礎(chǔ)等土木、水利工程。我國的科技工作者在這方面作了大量的實踐與研究，并且不斷推動錨固計算理論的發(fā)展與完善，所提出的計算方法有平面等效力法、連桿法、彈簧元法和空間三維彈簧元法等，還有基于現(xiàn)代數(shù)值計算理論和計算機水平飛速進(jìn)步而發(fā)展起來的非線性接觸力學(xué)計算方法［2，3］。筆者采用非線性接觸分析方法來模擬粘結(jié)錨固段的力學(xué)特性:將混凝土、錨索(錨桿)劃分為實體單元，定義各自材料屬性，將錨固段內(nèi)腔表面和錨索表面設(shè)為面-面接觸對，依據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整接觸剛度、摩阻系數(shù)等來模擬錨固特性。所模擬錨固特性的有限元建模情況見圖1。取10 m×5 m×5 m混凝土模型，錨索粘結(jié)段長3 m，施加3 000 kN預(yù)應(yīng)力后沿錨索方向正應(yīng)力的分布情況見圖2。計算結(jié)果表明:錨索粘結(jié)段周圍的混凝土主要為拉應(yīng)力，其應(yīng)力分布規(guī)律為中間大、兩頭小，主要拉應(yīng)力集中在粘結(jié)段的前兩米周圍。

圖1 膠結(jié)式錨固有限元模型示意圖

2 工程算例

2.1 有限元建模與計算

某工程泄水建筑物布置的特點:大壩深孔和底孔設(shè)計水頭高、工作閘門承受的水推力大，而相應(yīng)部位的壩體厚度較薄，且壩體與閘墩為整體結(jié)構(gòu)，閘墩承受較大的水推力，導(dǎo)致壩體應(yīng)力更加復(fù)雜。

閘墩主錨索立面呈扇形布置，其合力方向為弧門推力方向，擴散角為12°，上游采用膠結(jié)式內(nèi)錨頭固定于閘墩內(nèi)。每側(cè)閘墩布置4排主錨索，從內(nèi)側(cè)向外側(cè)按5、5、3、3布置。為了避開弧門二期混凝土，內(nèi)側(cè)兩排錨索上游端向閘墩外側(cè)傾斜，外側(cè)一排錨索與閘墩平行。次錨索11根，沿大梁方向布置。主、次錨索設(shè)計噸位為3 200～3 600 kN，超張拉噸位為3 600～4 200 kN。主錨索布置情況如圖3、4所示。

圖2 膠結(jié)式單根錨固模型正應(yīng)力圖

圖3 主錨索布置豎直面投影圖

圖4 主錨索布置水平面投影圖

圖5 整體有限元模型示意圖

圖6 閘墩有限元模型示意圖示意圖

有限元計算建立了拱壩的整體模型。整體模型包括壩體、地基和閘墩，基礎(chǔ)范圍向上游、下游和底部均取1倍的壩高。絕大部分計算單元采用八節(jié)點六面體實體單元，部分通過四面體實體單元過渡，整體模型剖分后得到的有限元模型如圖5所示，閘墩有限元模型如圖6所示，其單元節(jié)點:節(jié)點總數(shù)為245 635個，單元總數(shù)為439 313個。整體模型基礎(chǔ)部分約束情況:底部為三向約束，上下游面及左右側(cè)面各施加相應(yīng)的法向鏈桿約束。計算模型應(yīng)用的坐標(biāo)系:水流方向為X軸方向，向下游為正;沿高度方向為Y軸方向，向上為正;壩軸線方向為Z軸方向，向右為正。整體坐標(biāo)系原點在壩上游面右深孔中心線位置。

2.2 基本計算參數(shù)

(1)水重度:γw=10 kN/m3;

(2)鋼筋混凝土重度:γh=25 kN/m3;

(3)混凝土強度等級及彈性模量見表1。

(4)混凝土泊松比:υc=0.167;

(5)混凝土線膨脹系數(shù):αc=0.1×10－41/℃;

(6)采用后張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其力學(xué)性能見表2。

2.3 計算工況及其組合

計算分兩種工況:工況1，計算荷載包括自重、水壓力、弧門推力;工況2，計算荷載包括自重、水壓力、弧門推力和主、次錨索預(yù)應(yīng)力。

2.4 計算成果分析

限于篇幅，文中僅給出工況1和工況2下的計算成果。沿主錨索方向σx(沿水流方向為正應(yīng)力)等值線見圖7、8。兩種工況下閘墩內(nèi)部和大梁上的最大正應(yīng)力數(shù)值比較情況見表3。

表1 混凝土強度及彈性模量表/N·mm－2

表2 鋼絞線力學(xué)性能表

圖7 工況1 X方向等值線圖

圖8 工況2 X方向等值線圖

預(yù)應(yīng)力錨固有效地改善了閘墩和大梁的應(yīng)力狀態(tài)。從表3可以看出:施加預(yù)應(yīng)力后大梁X方向的拉應(yīng)力由2 MPa降至0.66 MPa，Y方向的拉應(yīng)力由0.67 MPa降至0.33MPa，Z方向變?yōu)槿渴軌?閘墩內(nèi)部也只有X方向有0.43 MPa的拉應(yīng)力，其他兩方向均轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌骸?/p>

表3 閘墩內(nèi)部和大梁上最大正應(yīng)力數(shù)值比較表/MPa

3 結(jié)語

閘墩的群錨體系計算結(jié)果表明:預(yù)應(yīng)力施加改善了閘墩內(nèi)部和大梁的應(yīng)力狀態(tài)，使得該部位的最大拉應(yīng)力小于1 MPa且分布范圍較小，能夠抵消因弧門推力在閘墩內(nèi)產(chǎn)生的大部分拉應(yīng)力。膠結(jié)式錨索粘結(jié)段周圍混凝土的最大拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，有可能形成局部混凝土破壞而導(dǎo)致錨固失效，內(nèi)錨頭粘結(jié)段的粘結(jié)強度還需要進(jìn)一步的試驗驗證。預(yù)錨技術(shù)的應(yīng)用前景是廣闊的，只有綜合應(yīng)用理論分析、數(shù)值計算、模型試驗、現(xiàn)場測試等各種手段對各方面進(jìn)行深刻分析，設(shè)計計算方法的改進(jìn)才能水到渠成［4］。

［1］趙長海，董在志，陳群香.預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.