不同U型錨索布置對預應力閘墩應力與變形的影響

王浩杰， 劉曉青

(河海大學 水利水電學院， 南京 210098)

1 研究背景

隨著混凝土高拱壩的泄洪量不斷增大，相應的孔口尺寸與弧門推力也隨之增大。巨大的弧門推力作用到弧門支撐體上，在閘墩兩側和頸部產生大面積的拉應力區。而大噸位預應力錨索是解決閘墩承受大推力的有效措施，能夠明顯改善閘墩的應力狀態，確保孔口安全運行[1-5]。

對于泄水閘墩，由于預應力主錨索在閘墩大梁處產生沿大梁方向的次生拉應力，還需要沿大梁方向布置次錨索，所以預應力閘墩的錨索布置十分復雜。然而目前預應力閘墩錨索設計理論相對落后，多在參考類似工程的經驗基礎上采用半經驗法進行設計，對U型錨索的研究資料較少，缺乏理論計算和數據分析[6]。因此研究不同錨索布置方案下預應力閘墩的應力變形對錨索的優化設計就顯得尤為重要。本文根據兩種預應力錨索布置方案，分析支撐大梁與預應力閘墩受力狀態；針對相應的典型剖面與特征點，研究典型剖面上是否出現應力與位移的不連續和特征點應力與位移的突變等情況，并以此判斷閘墩和支撐大梁的結構安全性。

2 預應力錨索布置方案與模型建立

2.1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游云南省巧家縣和四川省寧南縣境內，上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級，是國家西電東送工程的骨干電源點之一[7]。白鶴灘拱壩設計壩高289.0 m，壩頂高程834.0 m。壩身底部布置6個施工期臨時導流底孔，上游水位750 m，下游水位606 m。1#～5#底孔孔口尺寸6 m×10 m，上游平板門擋水，下游自由出流;6#底孔孔口尺寸為5 m×7 m，出口高程665 m，下游設工作弧門擋水。在施工期低水位工況下，弧門總推力為57 610 kN，單支鉸側推力為30 kN。

2.2 預應力錨索布置方案

由于1#～5#底孔為平板門擋水，下游無弧門擋水，故只對6#底孔預應力閘墩進行錨索布置。6#底孔預應力閘墩承受著由弧形工作閘門產生的巨大推力，閘墩采用鋼筋混凝土結構。為了避免由于閘墩產生過大的拉應力而引起裂縫的開展，進而對整體結構造成影響，沿推力方向在閘墩兩側對稱布置共16束張拉噸位3 500 kN的U型主錨索(見圖1)，圖1中N1～N8代表錨索的編號，每邊8根，以輻射角0.5°輻射狀布置；沿孔口下游閘門支座處的大梁方向布置13根張拉噸位3 000 kN的直線型次錨索(見圖2)，圖2中“Ⅰ～Ⅳ”表示次錨索的布置順序，與主錨索相對應且同時布置。大梁第1排和第2排布置次錨索各5根，第3排布置3根。以消除大梁剪切和彎曲產生的拉應力，從而改善閘墩的整體受力狀況。

圖3為6#底孔預應力閘墩U型主錨索兩種布置方案，其中錨索根數與張拉噸位均相同。圖3中“ZM”表示主錨索，編號與圖1中相對應。羅馬數字“Ⅰ～Ⅳ”表示布置順序，錨索荷載逐步施加。

圖1 白鶴灘大壩6#底孔預應力閘墩主錨索布置

圖2 6#底孔預應力錨索閘墩大梁次錨索布置圖

圖3 6#底孔預應力閘墩主錨索布置方案

2.3 有限元子模型法計算過程

壩體自重、上下游水壓力、弧門推力和主次錨索的預應力為施工期工況的全部荷載。其中以面力的方式簡化弧門推力，荷載面在支撐大梁的上游；采用連接單元法簡化主錨索預應力、等效荷載法簡化次錨索預應力。地基為固定約束。水密度取1.0×103kg/m3，鋼筋混凝土密度取2.4×103kg/m3，混凝土彈性模量取24 GPa，泊松比取0.167。

采用有限元子模型法對白鶴灘大壩預應力閘墩進行三維有限元分析。建立大壩整體模型，按照圖1、2的主錨索位置和圖3的布置順序依次在整體模型和子模型中建立錨索與錨塊模型。按照布置方案，在每組錨索布置后均可以得到整體計算結果。而由整體計算結果可以得到子模型對應邊界上的節點位移，子模型邊界的節點位移作為計算的約束條件，在加密后的子模型上建立相對應的預應力錨索和錨塊模型從而得出各典型剖面各特征點不同方案下的位移和應力變化。

3 結果及分析

對于大推力預應力閘墩，頸部是設計的關鍵位置，也是拉應力較大的區域，容易產生應力集中。考慮錨索布置、閘墩設計對稱性與受力狀態，底孔出口閘墩左右兩側差別不大。但右側承受的整體拱推力會擠壓結構，使其產生沿大梁方向的內力，進而閘墩右側的表面會受到拉應力。在閘墩自重作用下，其與壩體連接處也會產生較大的拉應力。

圖 4為6#底孔施工期工況第一主應力及典型剖面圖，根據圖4(a)的拉應力區，選擇1-1、2-2和3-3剖面作為典型剖面(如圖4(b)所示)，圖 5為各典型剖面特征點示意圖。選擇閘墩頸部A點、主錨索張拉表面上B和C點3點作為應力位移特征點。考慮到大梁截面較小，布置順序的變化對結構的影響并不大，所以兩種方案的次錨索布置順序相同。

在大梁承受了較大的弧門推力情況下，其與閘墩的交界處以及與壩體的交界處常出現最大拉應力，主要對大梁跨中截面以及大梁縱截面進行對比，為此，在確定典型剖面與特征點時，應考慮拉應力較為集中的部位。這里選取典型剖面2-2(如圖4、5所示)的大梁四周D、E、F、G點以及典型剖面3-3(圖4、5)的閘墩與大梁交界部位的H、I、J、K點為特征點，所選擇的特征點皆在受拉區域內且各特征點處拉應力較大。

本文重點分析支撐大梁橫截面與大梁與閘墩連接處的應力和變形，根據特征點在兩種方案下隨著錨索布置順序的應力和位移變化來初步選擇較優的錨索布置方案。各典型剖面特征點在不同方案下的應力和位移變化結果見圖6～11。應力以拉為正。

圖4 6#底孔施工期工況第一主應力與典型剖面圖

圖5 各典型剖面特征點示意圖

圖6 1-1典型剖面兩種方案下特征點位移變化圖

圖7 1-1典型剖面兩種方案下特征點第一主應力變化圖

從圖6、7可以看出，位移受錨索布置順序的影響并不大，第一主應力的變化趨勢受錨索順序影響較大。可以看出差異主要在Ⅰ、Ⅱ兩步，導致這種差異的原因是每步主錨索根數的不同，其次是主錨索位置。而兩種方案下的最終位移和第一主應力數值相差不大。

在分析大梁橫截面時，應考慮主錨索與次錨索共同的作用。從圖8、9看到，兩種方案下的位移差別不大，且變化趨勢基本相同。但第一主應力的變化差別較大，尤其是G點的變化規律受每步主錨索根數和施加位置影響較大。整體來說，方案1的拉應力水平比方案2低。

圖8 2-2典型剖面兩種方案下分析點位移變化圖

圖9 2-2典型剖面兩種方案下分析點第一主應力變化圖

圖10 3-3典型剖面兩種方案下分析點位移變化圖

從圖10、11可知，3-3剖面在兩種方案下位移變化不大，主要差別在位于閘墩右側的H和K兩點。方案2的第Ⅰ組錨索布置比方案1更靠近閘墩外側，故H點位移比方案1略大。第Ⅳ組錨索的位移值也相差不大，且位移變化規律一致；對比兩種方案下的第一主應力圖可以發現：除K點外，其余3點的變化規律大致相同，而方案2下K點應力變化規律有所不同的主要原因在于K點初始位移差異較大。

圖11 3-3典型剖面兩種方案下分析點第一主應力變化圖

以上分析針對模擬錨索布置過程中的閘墩應力變形情況。在錨索全部施加后，對選取的典型剖面進行拉應力復核，采用混凝土抗拉強度標準值對閘墩最大拉應力進行安全評價。閘墩和孔口部位的混凝土為C9040，其抗拉強度標準值為3.2 MPa；底孔周圍區域的混凝土為C18035，其抗拉強度標準值為2.8 MPa。復核結果如表1所示。

表1典型剖面最大拉應力復核MPa

從表1中看出，典型剖面的最大拉應力仍未超過混凝土的抗拉強度標準值，故閘墩應力水平符合要求。

4 結 論

(1) 通過對底孔預應力閘墩的應力和變形分析，在施工期工況下，兩種U型錨索布置方案下的預應力閘墩和大梁的應力水平均滿足規范要求，位移并未出現不連續和突變的現象，因而閘墩和大梁在結構上是安全的。

(2) 通過對典型剖面上特征點的應力和位移的對比分析，方案1特征點的應力水平比方案2趨于平均，兩種方案下特征點的位移相差不大。可見，錨索布置順序對最終的結果影響不大，主要是在布置過程中研究閘墩的應力和變形。

(3) U型錨索能夠改善閘墩的應力狀態，保證閘墩安全運行，本文的研究思路可為U型錨索布置設計和研究提供參考。同時需指出如何對預應力閘墩的安全進行評估仍未規范，而錨索的施工順序對閘墩的受力狀態需進一步地研究。