型鋼混凝土支座預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與研究

高開緒 許尚偉 李倩雯 劉 智

（1. 山東省水利勘測設(shè)計(jì)院 山東濟(jì)南 250013；2. 山東管理學(xué)院信息工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250100）

型鋼混凝土支座預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與研究

高開緒1許尚偉1李倩雯1劉 智2

（1. 山東省水利勘測設(shè)計(jì)院 山東濟(jì)南 250013；2. 山東管理學(xué)院信息工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250100）

以岸堤水庫溢洪閘預(yù)應(yīng)力閘墩為研究對象，遵循《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5057-2009）的相關(guān)規(guī)定，對預(yù)應(yīng)力閘墩的承載力和抗裂控制進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)用大型通用有限元計(jì)算軟件ansys對溢洪閘預(yù)應(yīng)力閘墩進(jìn)行了三維應(yīng)力分析研究，得到了典型工況下的閘墩頸部與型鋼牛腿結(jié)合部位的混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布情況，分析結(jié)果為岸堤水庫溢洪閘墩預(yù)應(yīng)力體系的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù)。

Ansys 預(yù)應(yīng)力閘墩 三維有限元

1 工程概況

岸堤水庫位于沂河一級支流東汶河上，總庫容7.49億m3，興利庫容4.51億m3，是一座以防洪為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水等綜合利用的大（2）型水庫，也是山東省第二大水庫。除險(xiǎn)加固后水庫樞紐由主壩、副壩、溢洪道（溢洪閘、溢流壩）、輸水洞和防汛道路五部分組成。

水庫溢洪閘共8孔，單孔設(shè)計(jì)凈寬18m，閘底板與閘墩采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘墩厚3.0m，閘室順?biāo)飨蜷L度30.5m，垂直水流方向總寬度165m，為目前山東省內(nèi)設(shè)計(jì)單孔寬度、擋水高度最大的水閘。工作閘門采用露頂式弧形鋼閘門。閘墩局部扇形受拉區(qū)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，弧門支座采用型鋼混凝土組合梁式錨體支座結(jié)構(gòu)。

2 問題背景

一般水閘采用小跨度弧形閘門時(shí)，弧門支座承受的推力較小，可采用普通鋼筋混凝土閘墩。弧門支座采用普通鋼筋混凝土牛腿結(jié)構(gòu)，閘墩扇形受拉區(qū)輻射筋采用普通鋼筋即可滿足要求。

岸堤水庫溢洪閘閘孔凈寬達(dá)18m，中孔閘墩支鉸承受的最大法向推力達(dá)到10075kN，在弧門支座與閘墩的連接部位將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，且受拉區(qū)分布面積較大，若采用普通鋼筋混凝土閘墩及弧門支座，則難以滿足結(jié)構(gòu)抗裂要求。經(jīng)過綜合分析論證，設(shè)計(jì)采用型鋼混凝土組合梁式弧門支座結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)牛腿支座，并在閘墩局部扇形受拉區(qū)通過錨固在支座上的高強(qiáng)度鋼絞線來施加預(yù)應(yīng)力，以抵消弧門水推力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，解決閘墩局部扇形受拉區(qū)及與支座連接部位的承載能力及抗裂問題。

為了解設(shè)計(jì)方案中預(yù)應(yīng)力閘墩扇形受拉區(qū)混凝土中應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，探究錨索與型鋼混凝土組合梁受力狀況，為工程提供可靠設(shè)計(jì)依據(jù)，考慮采用空間三維有限元分析方式對閘墩進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算。以溢洪閘中孔為例，建立中墩的三維有限元模型，通過對典型工況下模型受力進(jìn)行計(jì)算分析，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)并提出建議。

3 計(jì)算方法

《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5057-2009以下簡稱《規(guī)范》）對弧形閘門預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩頸部承載力計(jì)算及抗裂控制驗(yàn)算均作了明確規(guī)定。本次分析遵循了該規(guī)范的相關(guān)計(jì)算規(guī)定。首先通過閘墩頸部正截面受拉承載力的計(jì)算初步確定預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量，然后通過三維有限元分析法對閘墩頸部進(jìn)行抗裂控制驗(yàn)算。通過驗(yàn)算對承載力預(yù)應(yīng)力配筋進(jìn)行校驗(yàn)和調(diào)整優(yōu)化，最終使設(shè)計(jì)模型滿足承載力及抗裂要求。

3.1閘墩頸部承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)預(yù)應(yīng)力閘墩的受力工況，閘墩頸部的正截面受拉承載力計(jì)算，可分為單側(cè)弧門推力作用情況和雙側(cè)弧門推力同時(shí)作用情況。單側(cè)弧門推力作用情況時(shí)，弧門推力作用于頸部截面之外，屬于大偏心受拉情況；而雙側(cè)弧門推力作用情況則為軸心受拉情況。

中墩采用對稱配筋，應(yīng)同時(shí)考慮上述兩種受力情況，滿足以下要求：

在雙側(cè)弧門推力設(shè)計(jì)值作用下，應(yīng)符合：

見《規(guī)范》（13.11.4-1）

在單側(cè)弧門推力設(shè)計(jì)值作用下，應(yīng)符合：

見《規(guī)范》（13.11.4-2）

3.2閘墩頸部抗裂控制驗(yàn)算

在弧門推力標(biāo)準(zhǔn)組合下，閘墩頸部抗裂控制應(yīng)符合：

見《規(guī)范》（13.11.3）

弧形閘門預(yù)應(yīng)力閘墩為空間結(jié)構(gòu)，閘墩頸部的結(jié)構(gòu)型式特殊，外形尺寸和邊界條件復(fù)雜，在弧門推力和預(yù)應(yīng)力作用下呈三向應(yīng)力狀態(tài)。由于截面上的應(yīng)變分布不符合平截面假定，嚴(yán)格說，一般不能簡化成桿件結(jié)構(gòu)來計(jì)算內(nèi)力。因此，考慮采用三維有限元法對閘墩頸部進(jìn)行三維應(yīng)力分析，得到頸部截面混凝土法向應(yīng)力后，再按《規(guī)范》13.11.3式對弧形閘門預(yù)應(yīng)力閘墩頸部進(jìn)行抗裂驗(yàn)算。

4 計(jì)算模型的建立

岸堤水庫溢洪閘采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算取中孔的大底板和閘墩結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖建立三維有限元計(jì)算模型。

為了獲取閘墩頸部截面邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力分布情況，計(jì)算模型采用如下局部坐標(biāo)系：以頸部截面法向?yàn)閅軸方向，弧門推力方向?yàn)檎辉陂l墩側(cè)表面內(nèi)垂直于Y軸方向?yàn)閄軸方向，向上為正；Z軸方向遵循右手法則，垂直于閘墩側(cè)表面指向閘墩外部。

計(jì)算采用的三維有限元模型包括23620個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和17513單元。考慮到計(jì)算主要關(guān)心閘墩頸部應(yīng)力分布情況，因此在閘墩上游面和閘底板底面均約束全部自由度。閘墩混凝土假定為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性體。

閘墩預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)主要采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行離散。為了避免錨頭預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力集中而引起計(jì)算誤差，將錨索預(yù)應(yīng)力荷載扣除預(yù)應(yīng)力損失后，轉(zhuǎn)化為均布荷載后施加到型鋼梁頂板上。在網(wǎng)格劃分時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)的幾何形狀、受力特性、材料分區(qū)以及預(yù)應(yīng)力錨索的布置角度，對閘墩與型鋼混凝土梁結(jié)合部位（閘墩頸部）的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，以求精確模擬閘墩、弧門支承型鋼混凝土梁和預(yù)應(yīng)力錨索耦合作用下的整體復(fù)雜受力和變形特征；對遠(yuǎn)離閘墩頸部的閘墩區(qū)域及閘底板逐漸放大單元尺寸，以控制計(jì)算規(guī)模，提高計(jì)算效率。

5 計(jì)算成果分析

5.1計(jì)算工況

共考慮三種運(yùn)行工況：（1）閘門關(guān)閉，雙側(cè)擋水；（2）一側(cè)閘門關(guān)閉，一側(cè)閘門瞬間開啟；（3）一側(cè)閘門關(guān)閉，一側(cè)閘門開啟，單側(cè)擋水。

荷載工況組合包括閘墩自重、弧門水推力及錨束預(yù)加應(yīng)力。

5.2計(jì)算成果分析

通過有限元分析計(jì)算可以看出：在弧門推力作用下，閘墩頸部受拉區(qū)邊緣混凝土法向拉應(yīng)力存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，若以該處法向拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，很難滿足抗裂設(shè)計(jì)的要求，也不盡合理。因此，計(jì)算時(shí)以頸部受拉區(qū)邊緣至最外側(cè)錨束孔中心之間的混凝土法向拉應(yīng)力平均值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，在基本保證預(yù)應(yīng)力錨束處不開

裂的前提下，減少預(yù)應(yīng)力錨束的用量。按照以上原則計(jì)算出各工況下閘墩頸部抗裂分析成果，詳見表1。

表1 各工況下閘墩頸部抗裂分析成果表

由計(jì)算成果可以看出：

（1）工況1為閘墩雙側(cè)對稱受力，工況2為閘墩雙側(cè)非對稱受力，瞬間啟門側(cè)弧門水推力略大于對側(cè)弧門水推力，兩種工況受力狀況類似。閘墩頸部法向應(yīng)力在閘墩厚度方向上分布比較均勻，最大法向拉應(yīng)力出現(xiàn)在型鋼混凝土梁與混凝土的接觸點(diǎn)處，自接觸點(diǎn)處沿弧門推力相反方向的拉應(yīng)力分布迅速衰減并發(fā)展為壓應(yīng)力。可見該兩種工況下，閘墩混凝土預(yù)應(yīng)力施加效果比較理想，閘墩頸部和閘墩的其它大部分區(qū)域基本上處于受壓狀態(tài)。閘墩頸部混凝土法向應(yīng)力的平均值均為壓應(yīng)力。

（2）工況3為閘墩單側(cè)受力，閘墩頸部法向應(yīng)力分布在閘墩厚度方向上由拉應(yīng)力過渡為壓應(yīng)力，但應(yīng)力分布仍以壓應(yīng)力為主。閘墩頸部混凝土法向應(yīng)力的平均值雖為拉應(yīng)力，但應(yīng)力平均值較小，能夠滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

（1）當(dāng)水閘采用大跨度弧門擋水時(shí)，支座承受的水推力通常很大，導(dǎo)致閘墩頸部大部分區(qū)域的表層混凝土內(nèi)將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)難以滿足設(shè)計(jì)要求，因此采用部分預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)是必要的，預(yù)應(yīng)力的施加可以有效改善閘墩頸部混凝土的受力狀況。

（2）工況3為單側(cè)弧門推力作用情況，閘墩頸部應(yīng)力呈大偏心受拉狀態(tài)。分析表明，此情況下閘墩頸部受拉區(qū)邊緣的最大拉應(yīng)力可以達(dá)到雙側(cè)對稱受力情況的1.5倍左右，為頸部受力最不利工況。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對此工況給予足夠關(guān)注。

（3）弧門支座處鋼梁懸臂段與閘墩混凝土相交處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取構(gòu)造措施防止該區(qū)域混凝土的局部拉裂。一般可以采取預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的混合配筋方案。配置非預(yù)應(yīng)力筋有利于控制該局部區(qū)域裂縫發(fā)展，增強(qiáng)交界處混凝土的延性性能。

1 《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5057-2009)[S].2010. 07.中國電力出版社.

2 楊曉紅等. 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵問題的探討[J]. 紅水河. 2004.04.

3 趙長海. 預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2001. 12.

4 徐遠(yuǎn)杰等. 三板溪大噸位預(yù)應(yīng)力邊墩三維有限元分析[J].長江科學(xué)院院報(bào), 2005.22(3).

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.07.025

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1672-2469(2014)07-0080-03

高開緒（1976年—），男，高級工程師。