空腔錨塊式預應力閘墩結構受力性能試驗研究

李樹山，高丹盈，解 偉

空腔錨塊式預應力閘墩結構受力性能試驗研究

李樹山1，2，高丹盈1，解 偉2

（1.鄭州大學水利與環境學院，鄭州 450002；2.華北水利水電學院，鄭州 450011）

由于閘墩結構設計受頸部應力狀態制約，預應力技術成為改善大型弧門閘墩結構受力性能的重要措施。錨塊結構特征及其對頸部受力的影響是大型弧門閘墩結構設計時需要考慮的主要問題。利用結構仿真模型試驗，以蒲石河電站排沙閘預應力閘墩為例，研究了錨塊內設置空腔引起的頸部抗裂性能、錨塊內應力分布的變化，討論了空腔錨塊對預應力閘墩結構受力性能的影響。試驗結果表明，新型空腔式錨塊設計方案能夠有效地提高預應力閘墩頸部的預壓效果，提高閘墩頸部抗裂性能。

預應力閘墩；模型試驗；空腔式錨塊；受力性能；預應力錨束

1 研究背景

近年來，水利樞紐泄洪流量不斷增大，工作水頭不斷提高，弧門推力也越來越大，閘墩受力性能的影響也愈來愈復雜。大噸位弧門推力對閘墩受力性能的影響，已經在許多大型弧門閘墩結構設計分析中得到充分重視［1］。弧形閘門的巨大推力通過支承結構傳遞到閘墩，由于閘墩支承結構多采用錨塊型式，錨塊下游沒有大體積混凝土結構來分擔推力，因而造成錨塊和閘墩的連接部位（閘墩頸部）有明顯的應力集中，在該處形成高拉應力區，導致混凝土開裂［2］。此類大型弧形閘門的支承結構，只有采用預應力錨固技術才能滿足閘墩結構正常運行期間的抗裂或限裂要求［3］。

為了優化錨塊內及閘墩頸部的應力分布，可在閘墩錨塊內設置空腔來提高預應力效果。錨塊內空腔大小、位置的選取，對閘墩頸部及錨塊體內應力的影響一直是理論界及工程界關心的重點問題。許多學者對預應力閘墩結構受力性能進行了理論分析與數值計算：李傳才、賀采旭等對預應力閘墩的結構型式和設計方法進行了探討，提出預應力閘墩的開縫錨塊結構型式，認為這種錨塊型式改變了預加力的傳力路徑，增加了頸部的預壓應力，提高了預應力效果［4－5］；朱暾等采用有限元法分析了大推力預應力閘墩頸部應力分布，建議采用頸部開槽的結構型式［6］；何兆升等在景洪水電站預應力閘墩結構設計中，采用平行布置錨索并在錨塊內開設預留槽的新型預應力閘墩結構型式，通過對結構進行有限元分析，找出錨塊預留槽最佳位置，降低拉錨系數，提高錨索的預應力利用效果［7］；司建輝等通過有限元計算得到閘墩頸部、錨塊空腔表面豎向及橫河向應力分布狀態，并對預應力閘墩錨塊空腔位置進行優化分析［8］。目前，針對空腔錨塊式預應力閘墩結構受力性能開展試驗研究的資料很少，有必要對新型閘墩結構形式受力規律進行試驗驗證。本文結合蒲石河抽水蓄能電站排沙閘預應力閘墩工程，對空腔式錨塊閘墩結構進行仿真模型試驗研究，分析3種設計工況作用下新型閘墩的受力性能，提出了需要改進的結構設計建議。

2 研究工程概況

蒲石河抽水蓄能電站排沙閘擋水采用的大型弧形工作門，孔口尺寸為14 m×20 m，弧門推力達到34 000 kN，閘墩厚4m，具有推力大、力臂長的特點，必須采用預應力錨束來提高閘墩頸部抗裂能力。預應力錨束由主錨束和次錨束共同組成，主錨束通常沿弧形閘門推力方向布置。同時在錨塊內設置一定數量與主錨束相互垂直的水平次錨束，減小由弧形閘門推力的彎曲作用在錨塊內產生的拉應力，改善錨塊內的應力狀態。為了提高主錨束的預壓效果，設計中采用空腔式錨塊的技術方案，其結構布置如圖1所示。

圖1 新型空腔式錨塊結構型式Fig.1 New type prestressed pier w ith hollow anchor block

該結構型式是通過在錨塊內設置空腔，將主錨束的預壓力轉移到弧門推力的作用線附近，在閘墩頸部斷面外表面產生壓應力集中，改善閘墩頸部截面出現的外表面壓應力不足、中部壓應力富余的問題，可大大節省錨束用量。空腔的長度可根據弧門推力大小、預應力錨束的噸位、數量以及施工工藝等來調整。錨束張拉結束后，將空腔回填，既不影響錨塊的整體性，又可保證回填混凝土不承受主錨束在張拉過程中產生的次生拉應力，只承受弧門推力作用下產生的壓應力。

3 預應力閘墩結構仿真模型試驗研究

3.1 結構模型設計

根據閘墩原型的斷面尺寸，考慮模型成型的可行性、測試結果的精確性并兼顧試驗設備能力等各方面因素，確定模型結構與原型結構的相似常數為1∶10。模型混凝土選用連續級配5～20 mm人工碎石配置，現澆成型，澆筑順序與施工方案相同。

模型構造鋼筋選用φ6.5Ⅰ級光圓鋼筋，強度設計值fy＝210 MPa，彈性模量Es＝2.1×105N／mm2。模型預應力筋選用1 860級φ5的高強低松馳鋼絲，彈模Es＝1.91×105N／mm2，σb＝1 733 MPa，εb＝0.047 5。

模型閘墩結構如圖2所示，預應力錨束布置方案如圖3所示。

在模型閘墩關鍵部位外表面貼應變花，閘墩內部設置混凝土計，預應力筋貼單片的箔式應變片。其中，模型閘墩結構頸部應變測試點如圖4所示，錨塊表面應變測試點如圖5所示。

3.2 模型結構荷載加載方案

閘墩承受的荷載主要有弧門推力、結構自重和側向水壓力。根據模型設計相似原理，模型承受的水壓力與原型相同，弧門推力應為原型閘墩的1／100，采用2個100 t的千斤頂模擬施加弧門推力。結構自重對結構初始受力狀態的影響，利用施加的頂部荷載加以調整。單側弧門開啟時，側向水壓力采用分區域集中荷載等效代替。試驗加載全景如圖6所示。

圖2 閘墩結構模型示意圖Fig.2 Pier structuremodel

圖3 閘墩模型結構中預應力錨束布置圖Fig.3 Layout of prestressed anchorage cables in themodel

圖5 錨塊上部應變片分布圖Fig.5 Distribution of strain gauges on the anchor block

圖6 模型閘墩試驗加載全景Fig.6 Photo of loading in themodel pier test

3.3 模型試驗工況

工況1為施工期預應力單獨作用；工況2為運行期弧門雙側推力與預應力聯合作用；工況3為運行期弧門單側推力與預應力聯合作用。

4 模型試驗結果分析

4.1 預應力單獨作用下閘墩結構受力特征

在預應力作用下（工況1），閘墩頸部處于受壓狀態。從圖7中可以看出，閘墩頸部壓應力呈扇形分布，靠近支鉸軸線部位的壓應力大，遠離支鉸軸線部位的壓應力小。由于錨束的對稱布置，閘墩兩側產生的壓應力呈對稱分布，沿預應力筋方向的壓應力最大值為－2.58 MPa，閘墩頸部的預壓應力達到3 MPa左右。圖8中，在預應力單獨作用下，錨塊空腔上下游均產生較大的拉應力，最大拉應力位于空腔下游跨中邊緣處，為1.62 MPa，空腔上游跨中最大拉應力為1.33 MPa，小于C40混凝土的抗拉強度設計值。可見空腔的設置，改變了錨塊內受力途徑，優化了錨塊受力條件。

圖7 工況1閘墩頸部X方向應力分布圖Fig.7 Stress distribution in X direction at the pier neck in case 1

圖8 工況1錨塊表面正應力分布圖Fig.8 Normal stress distribution on the anchor block surface in case 1

4.2 雙側推力與預應力聯合作用下閘墩受力特征

在雙側弧門關閉作用下（工況2），閘墩及錨塊兩側應力對稱分布，如圖9、圖10所示。在閘墩頸部出現小范圍的拉應力區，其余仍為壓應力區。閘墩頸部拉應力呈扇形分布，最大拉應力出現在錨塊與閘墩頸部結合部的中間位置，沿主錨束方向最大正應力為0.29 MPa，拉應力區域在距離閘墩頸部的500 mm范圍內（模型閘墩）。沿垂直于中間錨束方向向兩邊擴展，拉應力逐漸減小；隨著與錨塊距離的增大，拉應力逐漸減小。在此工況中，盡管錨塊內空腔回填二期混凝土，但由于雙側弧門推力與預應力的疊加作用，錨塊表面拉應力并未減小，最大拉應力值為1.65 MPa。

圖9 工況2閘墩頸部X方向應力分布圖Fig.9 Stress distribution in X direction at the pier neck in case 2

圖10 工況2錨塊表面正應力分布圖Fig.10 Normal stress distribution on the anchor block surface in case 2

4.3 單側推力與預應力聯合作用下閘墩受力特征

在閘墩一側關門另一側開啟時（工況3），閘墩頸部關門一側的拉應力顯著增加，拉應力區也擴大了，對閘墩受力很是不利，成為閘墩設計的控制工況。對比圖11和圖9，可以看出閘墩頸部平均拉應力增加3倍左右。這主要是單側門推力及另外一側水壓力作用下，閘墩結構受到扭轉作用，閘墩頸部彎拉應力增大造成的。閘墩頸部X方向最大拉應力為1.74 MPa，低于C40混凝土抗拉強度設計值，滿足部分預應力的拉應力控制要求，該拉應力區域擴大到距離閘墩頸部1 500 mm范圍內（模型閘墩）。在圖12中，錨塊空腔上下游邊緣處仍存在較大的拉應力值，正應力最大值為1.95 MPa，但在原型的運行期，此空腔已經回填混凝土，此部分的拉應力會大大降低。

圖11 工況3中閘墩頸部X方向應力分布圖Fig.11 Stress distribution in X direction at the pier neck in case 3

圖12 工況3中錨塊表面正應力分布圖Fig.12 Normal stress distribution on the anchor block surface in case 3

5 結 論

本文對預應力混凝土閘墩結構新型設計方案進行了模型試驗研究，主要結論如下：

（1）在錨塊內設置空腔，改變了錨塊內預應力傳遞途徑，提高了閘墩頸部預壓效果；

（2）雙側門推力作用下，閘墩頸部最大拉應力控制在0.5 MPa以內，拉應力區控制在距離頸部500 mm區域以內（對應原型結構為5 m）；

（3）單側門推力作用下，推力側閘墩頸部拉應力有了顯著增加，平均拉應力為雙側門工況下的3倍左右，拉應力區域擴大到距離閘墩1 500 mm區域（對應原型結構為15 m），是預應力閘墩結構設計的控制工況；

（4）受主錨束作用，錨塊空腔處出現較大拉應力，回填二期混凝土后，此處拉應力會大大降低；

（5）模型試驗結果表明，在控制工況下頸部最大拉應力滿足部分預應力理論的拉應力控制要求，但從提高閘墩頸部抗裂度的角度出發，建議在錨塊與頸部接觸部位適當增加非預應力筋數量，提高閘墩頸部抗裂等級并增強錨塊與閘墩的整體性。

［1］ 趙長海.預應力錨固技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.（ZHAO Chang-hai.Prestressed Anchor Technology［M］.Beijing：China Water Power Press，2001.（in Chinese））

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［7］ 何兆升，凌 云，李玲云，等.新型預應力閘墩結構在景洪水電站工程中的應用［J］.水力發電，2008，（4）：50－52，64.（HE Zhao-sheng，LING Yun，LI Ling-yun，et al.Application of Improved Pre-stressed Anchor Block in Jinghong Hydropower Station［J］.Water Power，2008，（4）：50－52，64.（in Chinese））

［8］ 司建輝，簡 政，蒲 錳，等.預應力閘墩錨塊空腔位置的優化［J］.武漢大學學報（工學版），2010，（1）：43－45，50.（SI Jian-hui，JIAN Zheng，PU Meng，et al.Optimization of Anchor Cavity Position in Prestressed Pier Block［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2010，（1）：43－45，50.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

M echanical Behavior of Prestressed Gate Pier w ith Hollow Anchor Block

LIShu-shan1，2，GAO Dan-ying1，XIEWei2
（1.School of Environment and Water Conservancy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China；2.North China Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China）

Since the design of gate pier is usually constrained by the stress condition at the neck，the prestress technique becomes an importantmeasure to improvemechanical behavior of the large-sized arch gate pier.One of the most important problems is the anchor block’s structure characteristic and its effect on the stress condition at the neck.Through structure simulation model test，we investigated the variations of crack resistance at the neck and stress distribution in the anchor block caused by setting a cavity in the anchor block，and discussed the effect of hollow anchor block on themechanical behavior of gate pier.The prestressed pier of Pushi River pumped storage power station was taken as a case study.The results showed that the design of the new type hollow anchor block could enhance the prestressed effect at the neck of the pier effectively，and improve the crack resistance of the neck.

prestressed pier；model test；hollow anchor block；mechanical behavior；prestressed cable

TV332；TV321

A

1001－5485（2012）12－0099－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.020 2012，29（12）：99－102，108

2012－02－20；

2012－03－21

國家自然科學基金（50779018）；河南省科技創新杰出人才項目（094200510011）；河南省教育廳自然科學研究項目（2009A570001）

李樹山（1977－），男，遼寧綏中人，副教授，博士研究生，主要從事水工結構試驗研究，（電話）0371－69127209（電子信箱）lishushan＠ncwu.edu.cn。