胶结式内锚固预应力闸墩的非线性接触分析

周伟，杨胜，成磊，李守义

(1.四川大渡河双江口水电开发有限公司，四川马尔康624000;2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072;3.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都610041;4.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048)

高拱坝工程中布置在坝体上的诸如底孔、深孔闸墩这样的大型结构，由于其工作水头大、弧门承受推力大而使其应力状况严重恶化［1］。因此，必须采用预应力锚固技术解决这一工程难题，同时应用有限元计算理论对预应力锚固体系设计的合理性进行校核并指导受力结构布置、配筋设计和实际施工组织设计。

闸墩内锚固区的受力状态是需要妥善解决的技术问题之一，其受力状态比一般端锚固构件更加复杂，需要考虑空间效应、群锚效应。笔者应用有限元方法对胶结式内锚固闸墩进行了计算，不仅对单根锚固效果进行了模拟计算分析，而且将研究成果最终用于了实际预应力闸墩工程的群锚体系计算中。

1 单根锚索的数值模拟

胶结式锚固多属于直锚，广泛用于地下工程围岩支护，坝体、坝基加固，边坡加固，结构抗浮，结构抗倾，悬索结构抗力型基础等土木、水利工程。我国的科技工作者在这方面作了大量的实践与研究，并且不断推动锚固计算理论的发展与完善，所提出的计算方法有平面等效力法、连杆法、弹簧元法和空间三维弹簧元法等，还有基于现代数值计算理论和计算机水平飞速进步而发展起来的非线性接触力学计算方法［2，3］。笔者采用非线性接触分析方法来模拟粘结锚固段的力学特性:将混凝土、锚索(锚杆)划分为实体单元，定义各自材料属性，将锚固段内腔表面和锚索表面设为面-面接触对，依据试验结果调整接触刚度、摩阻系数等来模拟锚固特性。所模拟锚固特性的有限元建模情况见图1。取10 m×5 m×5 m混凝土模型，锚索粘结段长3 m，施加3 000 kN预应力后沿锚索方向正应力的分布情况见图2。计算结果表明:锚索粘结段周围的混凝土主要为拉应力，其应力分布规律为中间大、两头小，主要拉应力集中在粘结段的前两米周围。

图1 胶结式锚固有限元模型示意图

2 工程算例

2.1 有限元建模与计算

某工程泄水建筑物布置的特点:大坝深孔和底孔设计水头高、工作闸门承受的水推力大，而相应部位的坝体厚度较薄，且坝体与闸墩为整体结构，闸墩承受较大的水推力，导致坝体应力更加复杂。

闸墩主锚索立面呈扇形布置，其合力方向为弧门推力方向，扩散角为12°，上游采用胶结式内锚头固定于闸墩内。每侧闸墩布置4排主锚索，从内侧向外侧按5、5、3、3布置。为了避开弧门二期混凝土，内侧两排锚索上游端向闸墩外侧倾斜，外侧一排锚索与闸墩平行。次锚索11根，沿大梁方向布置。主、次锚索设计吨位为3 200～3 600 kN，超张拉吨位为3 600～4 200 kN。主锚索布置情况如图3、4所示。

图2 胶结式单根锚固模型正应力图

图3 主锚索布置竖直面投影图

图4 主锚索布置水平面投影图

图5 整体有限元模型示意图

图6 闸墩有限元模型示意图示意图

有限元计算建立了拱坝的整体模型。整体模型包括坝体、地基和闸墩，基础范围向上游、下游和底部均取1倍的坝高。绝大部分计算单元采用八节点六面体实体单元，部分通过四面体实体单元过渡，整体模型剖分后得到的有限元模型如图5所示，闸墩有限元模型如图6所示，其单元节点:节点总数为245 635个，单元总数为439 313个。整体模型基础部分约束情况:底部为三向约束，上下游面及左右侧面各施加相应的法向链杆约束。计算模型应用的坐标系:水流方向为X轴方向，向下游为正;沿高度方向为Y轴方向，向上为正;坝轴线方向为Z轴方向，向右为正。整体坐标系原点在坝上游面右深孔中心线位置。

2.2 基本计算参数

(1)水重度:γw=10 kN/m3;

(2)钢筋混凝土重度:γh=25 kN/m3;

(3)混凝土强度等级及弹性模量见表1。

(4)混凝土泊松比:υc=0.167;

(5)混凝土线膨胀系数:αc=0.1×10－41/℃;

(6)采用后张法预应力钢绞线，其力学性能见表2。

2.3 计算工况及其组合

计算分两种工况:工况1，计算荷载包括自重、水压力、弧门推力;工况2，计算荷载包括自重、水压力、弧门推力和主、次锚索预应力。

2.4 计算成果分析

限于篇幅，文中仅给出工况1和工况2下的计算成果。沿主锚索方向σx(沿水流方向为正应力)等值线见图7、8。两种工况下闸墩内部和大梁上的最大正应力数值比较情况见表3。

表1 混凝土强度及弹性模量表/N·mm－2

表2 钢绞线力学性能表

图7 工况1 X方向等值线图

图8 工况2 X方向等值线图

预应力锚固有效地改善了闸墩和大梁的应力状态。从表3可以看出:施加预应力后大梁X方向的拉应力由2 MPa降至0.66 MPa，Y方向的拉应力由0.67 MPa降至0.33MPa，Z方向变为全部受压;闸墩内部也只有X方向有0.43 MPa的拉应力，其他两方向均转变为受压。

表3 闸墩内部和大梁上最大正应力数值比较表/MPa

3 结语

闸墩的群锚体系计算结果表明:预应力施加改善了闸墩内部和大梁的应力状态，使得该部位的最大拉应力小于1 MPa且分布范围较小，能够抵消因弧门推力在闸墩内产生的大部分拉应力。胶结式锚索粘结段周围混凝土的最大拉应力超过混凝土抗拉强度，有可能形成局部混凝土破坏而导致锚固失效，内锚头粘结段的粘结强度还需要进一步的试验验证。预锚技术的应用前景是广阔的，只有综合应用理论分析、数值计算、模型试验、现场测试等各种手段对各方面进行深刻分析，设计计算方法的改进才能水到渠成［4］。

［1］赵长海，董在志，陈群香.预应力锚固技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2001.