不同荷載工況下樞紐水閘錨索結構特性分析

程天競

(淮安市水利工程建設管理服務中心，江蘇 淮安 223300)

通常水閘在開閘泄水時，由于其泄流流量較大、工作水頭較高或者孔口尺寸較寬等影響因素[1]，閘門所承受的水推力驅動值亦隨之增大[2]。閘門在水壓力驅動下通過弧門支承體傳遞至閘墩[3]，使得支承體與閘墩間的連接部位即頸部產生巨大的集中拉應力[4]，頸部上游閘墩中亦會形成較大面積的拉應力區[5]。而泄水閘室作為一種復雜的空間結構體系[6]，傳統的計算方法較難真實地反映其時空受力狀態，這便給設計工作者提出了一個難題。若采用普通鋼筋混凝土閘墩結構，較難達到結構的抗裂和限裂要求，其會造成拉應力值及變形均增大，結構物的耐久性亦會降低[7]。

為保證結構能夠達到承載能力與正常使用這兩種極限狀態的條件。有設計工作者通常在弧門支承結構中采用預應力技術[8]，使得錨索在預壓驅動作用力下可以全部或部分補償弧門推力驅動下的拉應力[9]，預應力技術的實施方法一般為在閘墩與支承體結構間的頸部布設高強鋼絲或鋼絞線預設壓應力[10]。

而在預應力體系、錨索布置及應力控制標準等方面，更多的采用經驗、半經驗的成果[11]。基于上述研究背景，為了研究并發展預應力閘墩結構設計理論使之達到更安全可靠、經濟合理的要求，以滿足現代預應力技術在弧形門閘墩中的應用。本文依托某泄洪閘的地形地質、結構受力條件，利用三維有限元數值模擬技術和方法、借助有限元分析軟件，研究了泄洪閘閘室結構在施工期、服役后各特征水位運行工況條件下的應力與變形特性。

1 計算模型

1.1 計算參數

某泄洪閘位于江蘇省境內，為一個3孔泄洪閘，孔口尺寸長×寬=17.00m×7.00m，閘室沿順水流向的長度為65.00m，閘底板的頂高程為620.00m，底板厚為7.00m，左、右兩邊墩厚均為4.00m，中墩厚為5.00m，閘墩采用預應力技術。閘室胸墻前、后分別為平板檢修門與弧形工作門。其中，弧形門采用2×4000kN的液壓式啟閉機，3孔閘共享1扇平板檢修門。其結構混凝土、基礎巖石、鋼筋及低松弛預應力鋼絞線材料參數見表1—3。其中，泄洪閘的底板、閘墩、閘墩與底板二者之間的過渡區域、預應力混凝土錨塊的混凝土的標號分別為C25、C30、C40和C45。

1.2 計算范圍及邊界條件

根據本工程實際地質條件并借鑒已有工程經驗，泄洪閘計算時基礎選取的寬度取為計算塊自身寬度再分別向上下游面各取1.50倍控制段高度，可知閘墩的計算樁號上、下游分別均取至閘0-055.00m、0+120.00m處；豎直向沿建基面以下取1.50倍控制段高度，可知閘墩的計算高程在豎直向往下均取至高程處，即▽546.00m，向上取至堰頂高程處，即▽662.50m。

表1 不同混凝土計算參數

表2 壩基巖石材料計算參數表

表3 鋼材計算參數

視巖石基礎底邊均為固定邊界，即計算時將底邊進行全約束；巖石基礎上、下游邊及基礎兩側邊均分別按平面應變問題處理，即將巖石基礎上、下游邊進行水平順河x向位移約束，將巖石基礎兩側邊沿壩軸線進行水平z向位移約束。視泄洪閘巖石基礎、控制段均為各向同性、均勻連續的線彈體，視泄洪閘混凝土為不透水體，視庫水壓力、揚壓力驅動均只作用在相關面上。

1.3 網格劃分

預應力混凝土錨塊方案的計算方法為：取整體泄洪閘以及相應的巖石基礎為有限元模型進行計算，泄洪閘整體模型網格的劃分如圖1所示。其中，為滿足局部應力梯度變化較大的要求，網格劃分時需將其進行加密。例如，預應力預留施工平孔的周邊、錨頭以及混凝土錨塊等部位。本次計算中，泄洪閘預應力結構總計算單元數為110864，求解自由度數為330257。

圖1 泄洪閘整體模型網格

1.4 預應力錨索布設

布設的主錨索預應力噸位見表4。

表4 主錨索預應力噸位表

預應力采用5×7φ15.2高強低松弛鋼絞線。極限抗拉強度標準值為1860MPa，設計強度為1260MPa。泄洪閘左邊墩布設3排主錨索，第1排主錨索距離邊墩最左邊60cm，第2排主錨索距離邊墩最左邊280cm，第3排主錨索距離邊墩最左邊340cm。泄洪閘右邊墩主錨索布置與左邊墩對稱。拉錨系數取1.8，次錨取主錨噸位的40%計算。

1.5 計算坐標系組合

整體直角坐標系設置。順河向為坐標軸x正向，且x坐標值與結構布置樁號保持一致。豎直向為坐標軸y正向，且y坐標值與結構布設高程保持一致。z向利用右手坐標系的規定，即從樞紐左岸向右岸為z的正向。

錨索局部直角坐標系oxyz設置。為了更好地整理結構預應力的效果，設局部直角坐標系為：以預留平孔C的圓點為局部直角坐標系原點，以中間層(穿過預留平孔C)主錨索向為x軸(順流向為正)，沿壩軸線為z軸(向右岸為正)，y軸垂直于xz平面(向上為正)。

預留孔局部柱坐標系orθz設置。為了便于整理預留平孔周邊的徑向與環向應力分布規律，設各預留平孔的局部柱坐標系為：以各預留孔的圓心為柱坐標系rθz的原點，沿壩軸線為z軸正向，閘墩立面逆時針轉向為環向坐標θ正向，且θ=0時，徑向r正向與穿過各孔的主錨索方向一致。

1.6 計算荷載及工況組合

該泄洪閘壩段結構在施工、各特征水位運行工況條件下的應力與變形。具體特征水位如圖2所示。

圖2 泄洪閘運行工況特征水位

根據結構設計要求，混凝土泄洪閘預應力計算荷載主要有：計算塊自重、靜動水壓力、工作弧型閘門推力、揚壓力、主次錨預應力、水壓重、地震荷載。計算工況組合見表5。

2 計算結果分析

本次不同荷載工況下樞紐水閘錨索結構應力狀態分析主要包括靜力計算成果與分析與地震作用計算成果與分析。

表5 計算工況組合

2.1 靜力作用計算成果與分析

各工況組合靜力條件下，經計算可得：

(1)泄洪閘結構的計算位移值與相對變形量級均不大，且發生部位均出現在各墩的尾部，結構具有相當的剛度。

(2)整體上過半數部位拉應力值均未超過相應混凝土材料的設計標準值。

(3)在弧門推力的驅動作用下，模型錨塊頸部與閘墩立面上均發現有局部、淺表層的拉應力值大于設計標準值的情況。

(4)預壓應力可以較大程度改善閘墩頸部區域的應力分布狀態，但當一關一開工況時，關閉側弧門推力驅動作用下的拉應力值較大，致使預壓應力無法平衡。

(5)主錨預留平孔的混凝土模型環向表現出了較大拉應力；此外，在錨頭作用部位的徑向以及沿閘墩的厚度方向亦均出現了拉應力。環、徑向拉應力可由結構配筋除控；后者沿墩厚向的拉應力可借助錨頭的環向鋼筋與鋼墊塊解決。

2.2 地震作用計算成果與分析

地震驅動條件下，經計算可得：

(1)沿壩軸線方向地震驅動作用為該工況中的主要控制工況，沿壩軸線方向地震的驅動作用對閘墩和錨塊位移影響均較大，尤其是沿壩軸線水平位移和不均勻變形均表現出大幅度增大的現象，一般峰值可達20～30cm。

(2)地震驅動作用后閘墩內部應力分布發生了變化，其尾部下方因地震驅動作用出現了較大的拉應力值；此外，模型混凝土與錨塊頸部、胸墻尾部以及底板流道尾部峰值應力亦均有不同程度的增大，但變化值的影響范圍均較小。

(3)擬靜力方法與反應譜方法計算結果峰值和分布規律基本相同。

3 結語

(1)靜力驅動作用下，該結構各工況組合計算的位移與相對變形量級均不大，整體上過半數部位拉應力值均未超過相應混凝土材料的設計標準值。在弧門推力的驅動作用下，模型出現局部拉應力值大于設計標準值的現象。預壓應力可以較大程度改善閘墩頸部區域的應力分布狀態，但當一關一開工況時，關閉側弧門推力驅動作用下的拉應力值較大，會致使預壓應力無法平衡。

(2)地震驅動作用下，計算結果對閘墩和錨塊位移影響均較大；地震驅動作用后閘墩內部應力分布發生了變化，其尾部下方出現了較大的拉應力值；此外，模型局部峰值應力亦有不同程度的增大，但變化值的影響范圍均較小。采用擬靜力方法與反應譜方法計算結果峰值和分布規律基本一致。

(3)數值模擬分析時眾多假設因素均會引起有限元軟件仿真結果值與現場實測結果值存有微小差異，但總體變化規律趨于一致，該方法驗證了有限元模擬的可行性，可為同類樞紐水閘錨索結構工程的設計與施工提供一定參考。