预应力中墩三维有限元静力结构分析

刘成浩,张新荣,程 振,徐远杰

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021;2.武汉大学土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072)

预应力中墩三维有限元静力结构分析

刘成浩1,张新荣1,程 振1,徐远杰2

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021;2.武汉大学土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072)

文中基于ABAQUS平台,以国内某水电站锚块式预应力闸墩为工程背景,建立了预应力闸墩结构三维有限元整体模型.对该结构在自重、扬压力以及水压力等荷载作用下进行了静力分析,分析了控制工况下闸墩应力、位移分布规律,总结出重要部位产生拉应力的主要原因.

预应力闸墩;三维有限元;应力位移分析

1 工程背景

某水电站位于四川省攀枝花市盐边县境内,距上游二滩水电站大约18 km,距雅砻江与金沙江汇口15 km,是以发电为主的综合利用水利枢纽,兼有下游综合用水要求.电站装机容量为600 MW,设计枯水年枯水期平均出力22.7万kW,多年平均发电量29.75亿kW.h,年利用小时数4 958 h.水库正常蓄水位为1015.00 m,总库容0.912亿m3,水库具有日调节性能.

泄洪闸采用弧形钢闸门挡水,弧形闸门尺寸为10.60X22.32 m(宽X高).水电站最大闸高60.00 m,总库容91 200万m3,电站总装机容量600 MW.根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定,该工程属大(2)型工程,工程等别为二等.

2 基本资料

2.1 特征水位

泄洪闸上、下游水库特征水位见表1.

表1 泄洪闸上、下水库特征水位

2.2 计算工况

根据设计要求,有限元分析中计算荷载说明见表2,计算工况见表3.

表2 计算荷载说明

表3 计算工况及荷载组合表

3 有限元模型

3.1 计算范围与边界条件

泄洪闸三维有限元计算模型包括泄洪闸混凝土结构、预应力锚索及模拟锚具及相应基础.计算范围取枢纽总布置图的第10号坝段作为研究对象,分析该坝段闸墩重要结构部位的应力变形情况.根据一般工程经验及本工程实际地质条件,计算模型的基础选取范围考虑结构特征尺寸的1～2倍[1].计算模型范围取为:顺河向闸上0-045.00 m～闸下0+105.00 m;横河向闸左0-030.00 m～闸左0-090.00 m;铅直向▽900 m～闸顶(▽1020.00 m).

基础底边均视为固定边界,基础上下游边界及基础左右边按平面应变问题处理,即基础底边约束全部位移,基础上下游边约束水平顺河向(X向)位移,基础两侧边约束沿坝轴线水平(Z向)位移.

3.2 计算模型与网格剖分

有限元网格剖分中,预应力预留施工平孔周边、锚头、混凝土锚块、溢流表面、门槽等结构部位的网格剖分加密,以适应这些部位应力梯度较大的要求[2].实际计算中10号坝段闸墩整体结构计算单元总数为266 581,节点总数为276 154.巨大的计算规模可以有效地保证结构分析模型的计算精度.各结构部位和相应岩石基础的单元类型和单元总数见表4.

表4 闸墩有限元计算网格单元类型及数目

4 预应力闸墩结构静力计算成果

4.1 闸墩位移分析

10号坝段各计算工况下,闸墩位移峰值见表5.

表5 闸墩位移峰值 mm

闸墩堰前的静水压力、弧门推力沿顺河向分力以及扬压力和地基材料不均匀性共同引起的地基不均匀变形是引起闸墩顺河向位移的主要原因.由计算结果看出,在工况1完建期工况下,顺河向位移为负值,为2～3 mm,这是由于主锚施加预应力引起的.其他工况下,顺河向位移均为正值,最大位移均发生在闸墩顶端,且由高程自上到下逐渐减小.在工况2正常蓄水位弧门全关不泄洪时,弧门推力按弧门全关位置支座受力计算,与其他工况相比,此时所受到的弧门推力最大,闸墩坝体顺河向水平位移UX也达到最大,10号坝段峰值为2.526 mm.

闸墩自重、闸墩溢流面水压重、弧门推力的垂直向分力、启闭支座力垂直向分力是引起闸墩垂直向位移的主要原因.整体看来,各工况下闸墩垂直向最大位移均发生在闸墩首部,在4～6 mm左右.工况1完建期下,两坝段垂直向位移均为最大,10号坝段峰值为5.472 mm.工况3在弧门一开一关泄洪时,弧门推力的竖向分力垂直向下,开门侧溢流面上全程作用相应的水压重,此时闸墩坝体的竖向位移U2亦比较大,10号坝段峰值为4.605 mm.

侧水压力、弧门推力沿坝轴线Z向的分力和边墩不对称的主锚拉力是引起闸墩顶部沿坝轴向(Z向)水平位移的主要原因.对中墩而言(墩厚5.6m),墩两边为对称荷载工况荷载时,所引起沿坝轴线向水平位移相互抵消了,所以沿坝轴线位移U3一般比较小,10号坝段在工况2时为0.144 mm.当闸墩弧门一开一关工况时,为闸墩两侧受力最不对称工况,所以闸墩顶部沿坝轴线方向的水平位移U3较大,且向开门侧变形,10号坝段在工况3时峰值为2.800 mm.

4.1 闸墩预应力区应力分析

混凝土应力分布是预应力效果的重要体现,也是预应力结构最重要的计算成果,混凝土结构必须首先满足一定范围和量级的压应力分布条件,否则,必须修改主锚和次锚的布置或修改吨位[3].闸墩推力方向正应力从上游至下游,分布规律为预留平孔附近及上游的拉应力消散区、预应力区、颈部拉压局部应力区和尾部拉应力区.在预应力区中,压应力区、平孔、锚头、颈部压应力较大,中间区域变小;整个预应力区向闸顶和底板逐渐消散.10号坝段各计算工况下,闸墩沿各方向应力峰值见表6.

总的来看,闸墩整体拉应力值均在抗拉强度设计值之内,但在在闸墩尾部,闸墩颈部,平孔周围这三个部位出现了较大的拉应力值.竖向拉应力峰值仍然是出现在颈部与锚块相交处,预留孔周围,但范围都很小.工况1下10号坝段中墩应力峰值为3.995 MPa,此时锚索预应力为超张拉吨位,大于其他工况.

闸室动水压力和弧门推力横河向分力是影响闸墩横河向正应力的主要因素.横河向正应力高峰主要集中在闸墩颈部,平孔周边,启闭支座附近,闸墩和底板交界处.闸墩Z方向拉应力高峰也主要集中在闸墩尾部,底板尾部流道,平孔周边和胸墙尾部.若闸墩有大的弧门推力横河向分力则正应力峰值发生在颈部,若有很大的侧向水压力则发生在闸墩与底板交界处,若弧门推力横河向分力不够大或闸室横河向受到一定限制则发生在启闭支座附近,若以上三种力均没有则发生在平孔周边.

表6 闸墩正应力峰值及分布

整体上看闸墩大部分区域的应力较小,没有超过混凝土设计标准值.

5 结论

文中主要采用了有限元法,以ABAQUS为平台,对预应力闸墩结构进行了静力应力应变分析,得到如下结论:

1)在线弹性计算中得到了典型工况下结构整体位移、变形和结构重要部位的应力分布规律,从计算结果可以得出,结构总体具有足够的强度和刚度的结论.

2)由于预应力锚索张拉荷载和弧门推力的单独或组合作用,主锚预留平孔周边、闸墩锚块颈部、闸墩尾部等局部混凝土出现浅表层的高拉应力区.

3)混凝土应力分布是预应力效果的重要体现,也是预应力结构最重要的计算成果,分析表明利用预压应力可以明显改善闸墩颈部区域的应力状态,中墩锚束在颈部产生的预压应力可以很好地抵消两侧弧门所产生的拉应力.

[1]潘家军,徐远杰,费胜.水电站预应力闸墩三维有限元分析[J].中国农村水利水电,2007(09).

[2]徐远杰,唐碧华.三板溪预应力边墩应力与变形的三维有限元分析[J].长江科学院院报.2005,22(3):52-55.

[3]傅继涛,陈星云等.葛洲坝水利枢纽闸墩预应力混凝土结构设计[C].大型预应力混凝土结构工程实践论文集.北京:1986.

TV31 < class="emphasis_bold">[文献标识码]B

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1002-0624(2017)11-0009-02

2017-03-21