預應力閘墩有限元分析

胡森

摘? 要：根據某水電站泄洪閘孔閘墩結構及預應力錨索布置方案，應用有限元程序ANSYS建立三維有限元模型，比較預應力與非預應力情況下閘墩受力性能，驗證預應力錨索布置方案的合理性，為工程設計提供參考。

關鍵詞：預應力閘墩;錨索;泄洪閘;有限元

中圖分類號：TV662+.2 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0062-03

Abstract： According to the structure of the pier and the pre-stressed anchor layout of the spillway gate of a hydropower station， the finite element program ANSYS was used to establish a three-dimensional finite element model， compare the mechanical performance of the pier under pre-stressed and non-prestressed conditions， and verify the rationality of the pre-stressed anchor layout， so as to provide a reference for engineering design.

Keywords： pre-stressed pier; anchor; floodgate; finite element

1 預應力閘墩結構設計

某水電站布置有7孔泄洪閘，擬采用預應力閘墩結構，弧門總推力為2×16000kN。閘墩錨索布置分主錨索和次錨索，主錨索長20m，次錨索長8.8m。中墩主錨索在閘墩立面上作扇形布置，設5層，每層4根，總擴散角24°，相鄰兩層主錨索擴散角6°，預應力主錨索合力作用線通過弧門支鉸中心。錨塊在受到弧門推力和主錨索張拉力作用下，在垂直主錨索方向會出現次生拉應力，為改善錨塊應力狀態，在錨塊內水平方向布置了3列次錨索，每列4根，錨固端設在錨塊左右兩側。縫墩及邊墩主錨索布置5層，每層3根，次錨索水平方向布置3列，每列4根，縫墩和邊墩錨索布置形式同中墩。錨索采用7Φ5（Φ15.2）高強低松弛鋼絞線，強度標準值1860MPa單根主錨索設計永存噸位2000kN，次錨索設計永存噸位1000kN。中墩錨索布置見圖1。

閘墩混凝土分區：鉸支座部位采用C40混凝土，其余部位采用C35混凝土。

2 三維有限元分析

2.1 計算模型與假定

本次計算主要分析比較閘墩預應力與非預應力條件下工作性態，驗證閘墩預應力錨索布置的合理性，對模型荷載和邊界條件進行了簡化，考慮如下基本假定[1-4]：

（1）閘墩混凝土符合小變形情況下的線彈性基本假

定，即按空間線彈性理論進行結構有限元分析。

（2）模型未計入地基巖體的影響，僅考慮上部閘墩結構。

（3）計算荷載包括結構自重、單側/雙側弧門推力、錨索預應力，未考慮兩側水壓力對閘墩的影響。

（4）錨索預應力采用降溫法施加，錨索與混凝土節點進行耦合求解。

選取泄洪閘中墩進行三維有限元分析，模型范圍為中墩兩側閘孔中-中距離。模型底部及兩邊閘孔底板邊界采用法向鏈桿約束。順河向為X軸，指向下游為正，豎向為Y軸，豎直向上為正。采用有限元程序ANSYS對預應力閘墩進行分析，中墩結構有限元模型如圖2所示，其單元總數82049個，節點總數72827個。

2.2 計算成果分析

2.2.1 單側弧門推力作用下非預應力與預應力比較

（1）由表1可知，非預應力與預應力條件下閘墩變形均不大，順水流向最大位移位于弧門推力作用處，橫向最大位移位于閘墩尾部頂端處，豎向最大位移位于閘墩上游頂端處。非預應力條件下相較預應力條件下各向最大位移略大。

（2）靠近支座附近扇形區域徑向應力如圖3、圖4，由圖可知，非預應力條件下扇形區域徑向應力主要為拉應力，徑向總拉力10569.63kN;預應力條件下扇形區域徑向應力主要為壓應力，徑向總壓力-25785.59kN。可見預應力錨索對閘墩結構起到了很好的預壓效果。

2.2.2 雙側弧門推力作用下非預應力與預應力比較

（1）由表2可知，非預應力與預應力條件下閘墩變形均不大，順水流向最大位移位于弧門推力作用處，因荷載對稱橫向位移可忽略不計，豎向最大位移位于閘墩上游頂端處。非預應力條件下相較預應力條件下各向最大位移略大。

（2）靠近支座附近扇形區域徑向應力如圖5、圖6，由圖可知，非預應力條件下扇形區域徑向應力主要為拉應力，徑向總拉力24583.84kN;預應力條件下扇形區域徑向應力主要為壓應力，徑向總壓力-11810.62kN。可見預應力錨索對閘墩結構起到了很好的預壓效果。

3 結束語

結合泄洪閘孔預應力閘墩結構工程實例，對結構關鍵部位的應力和變形進行了分析，結果表明預應力錨索大大改善了支座附近應力狀態，達到了很好的預壓效果，錨索布置方案可行。

參考文獻：

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