预应力闸墩有限元分析

胡森

摘  要：根据某水电站泄洪闸孔闸墩结构及预应力锚索布置方案，应用有限元程序ANSYS建立三维有限元模型，比较预应力与非预应力情况下闸墩受力性能，验证预应力锚索布置方案的合理性，为工程设计提供参考。

关键词：预应力闸墩;锚索;泄洪闸;有限元

中图分类号：TV662+.2 文献标志码：A         文章编号：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 預应力闸墩结构设计

某水电站布置有7孔泄洪闸，拟采用预应力闸墩结构，弧门总推力为2×16000kN。闸墩锚索布置分主锚索和次锚索，主锚索长20m，次锚索长8.8m。中墩主锚索在闸墩立面上作扇形布置，设5层，每层4根，总扩散角24°，相邻两层主锚索扩散角6°，预应力主锚索合力作用线通过弧门支铰中心。锚块在受到弧门推力和主锚索张拉力作用下，在垂直主锚索方向会出现次生拉应力，为改善锚块应力状态，在锚块内水平方向布置了3列次锚索，每列4根，锚固端设在锚块左右两侧。缝墩及边墩主锚索布置5层，每层3根，次锚索水平方向布置3列，每列4根，缝墩和边墩锚索布置形式同中墩。锚索采用7Φ5（Φ15.2）高强低松弛钢绞线，强度标准值1860MPa单根主锚索设计永存吨位2000kN，次锚索设计永存吨位1000kN。中墩锚索布置见图1。

闸墩混凝土分区：铰支座部位采用C40混凝土，其余部位采用C35混凝土。

2 三维有限元分析

2.1 计算模型与假定

本次计算主要分析比较闸墩预应力与非预应力条件下工作性态，验证闸墩预应力锚索布置的合理性，对模型荷载和边界条件进行了简化，考虑如下基本假定[1-4]：

（1）闸墩混凝土符合小变形情况下的线弹性基本假

定，即按空间线弹性理论进行结构有限元分析。

（2）模型未计入地基岩体的影响，仅考虑上部闸墩结构。

（3）计算荷载包括结构自重、单侧/双侧弧门推力、锚索预应力，未考虑两侧水压力对闸墩的影响。

（4）锚索预应力采用降温法施加，锚索与混凝土节点进行耦合求解。

选取泄洪闸中墩进行三维有限元分析，模型范围为中墩两侧闸孔中-中距离。模型底部及两边闸孔底板边界采用法向链杆约束。顺河向为X轴，指向下游为正，竖向为Y轴，竖直向上为正。采用有限元程序ANSYS对预应力闸墩进行分析，中墩结构有限元模型如图2所示，其单元总数82049个，节点总数72827个。

2.2 计算成果分析

2.2.1 单侧弧门推力作用下非预应力与预应力比较

（1）由表1可知，非预应力与预应力条件下闸墩变形均不大，顺水流向最大位移位于弧门推力作用处，横向最大位移位于闸墩尾部顶端处，竖向最大位移位于闸墩上游顶端处。非预应力条件下相较预应力条件下各向最大位移略大。

（2）靠近支座附近扇形区域径向应力如图3、图4，由图可知，非预应力条件下扇形区域径向应力主要为拉应力，径向总拉力10569.63kN;预应力条件下扇形区域径向应力主要为压应力，径向总压力-25785.59kN。可见预应力锚索对闸墩结构起到了很好的预压效果。

2.2.2 双侧弧门推力作用下非预应力与预应力比较

（1）由表2可知，非预应力与预应力条件下闸墩变形均不大，顺水流向最大位移位于弧门推力作用处，因荷载对称横向位移可忽略不计，竖向最大位移位于闸墩上游顶端处。非预应力条件下相较预应力条件下各向最大位移略大。

（2）靠近支座附近扇形区域径向应力如图5、图6，由图可知，非预应力条件下扇形区域径向应力主要为拉应力，径向总拉力24583.84kN;预应力条件下扇形区域径向应力主要为压应力，径向总压力-11810.62kN。可见预应力锚索对闸墩结构起到了很好的预压效果。

3 结束语

结合泄洪闸孔预应力闸墩结构工程实例，对结构关键部位的应力和变形进行了分析，结果表明预应力锚索大大改善了支座附近应力状态，达到了很好的预压效果，锚索布置方案可行。

参考文献：

[1]夏菲菲，张宗亮，张天刚.糯扎渡新型预应力闸墩工作性态研究[J].云南水力发电，2007，23（4）：33-38.

[2]石太军，杨德超.深溪沟水电站泄洪闸预应力闸墩设计[J].水电站设计，2013，29（2）：31-33.

[3]陈满圈，王新军，王爱萍.燕山水库泄洪闸预应力闸墩设计[J].水电能源科学，2009，27（6）：110-112.

[4]苏超，徐汇，陈鹏，等.预应力闸墩颈缩式空腔结构体形优化[J].水电能源科学，2016，34（12）：117-120.