预应力闸墩结构动力特性及响应分析

刘成浩，田伟峰

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 工程背景

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。该工程属大（2）型工程，工程等别为Ⅱ等。电站装机容量为600 MW，总库容0.912 亿m3，水库正常蓄水位为1 015.00 m，水库具有日调节性能。

该水电站拦河大坝及厂房建筑物坝顶总长439.73 m，共分15 个坝段。 泄洪闸主要布置在河床段，共设置4 个闸室段，每个闸室宽21.60 m，泄洪净宽16.00 m，最大闸高60.00 m，闸室沿水流向长60.00 m。泄洪闸采用弧形钢闸门挡水，弧形闸门尺寸为10.60 m×22.32 m（宽×高）。

工程区地震基本烈度为7 度，由水工建筑物重要性和工程场地基本烈度确定该工程拦河闸坝按甲类工程抗震设防，将拦河闸（坝）的地震设计烈度在基本烈度基础上提高1 度，即8 度。抗震设防标准以100 年为基准期，超越概率为2%确定设计概率水准，相应的基岩水平峰值加速度为0.2g。

2 有限元模型

2.1 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。根据一般工程经验及该工程实际地质条件，计算模型的基础选取范围考虑结构特征尺寸的1～2倍。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；铅直向高程900 m～闸顶（高程1 020.00 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。

2.2 计算模型与网格剖分

10 号坝段以及相应基础的有限元分析模型网格剖分中，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。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1。

表1 10 号坝段闸墩有限元计算网格单元类型及数目

3 预应力闸墩结构动力计算成果

3.1 动力特性分析

动力特性计算前20 阶频率和对应振型，为振型分解反应谱法进行结构动力响应计算提供准备。10 号坝段计算模型的前20 阶频率见表2。

表2 10 号坝段前20 阶频率

从计算结果可知，各阶频率有密集分布，特别是从6 阶到8 阶密集程度比较明显，闸墩有明显的单独局部振动特征。且采用高阶计算频率试算表明，采用前20 阶计算频率计算可以满足结构动力响应计算精度所需的截断频率与振型数。

反应谱理论比较真实地考虑了地震作用与结构动力特性、场地类型及震中距离等密切相关的重要因素，计算简单易实施，获得了广泛的应用。参看《水工建筑物抗震设计规范》，根据水电站的具体地质情况，反应谱采用规范给出的标准反应谱，其反应谱曲线见图1。

在反应谱曲线上取点时，在折点处和曲线变化处这些区域应该多选点，这些数据点更具有代表性；另外，数据点所在的周期段，应当尽可能遍布该坝段的周期，进而全面地分析每阶振型对地震作用的影响。充分考虑了以上因素之后，表3列出了10号坝段计算模型的前20阶反应谱β(T )值。

图1 加速度放大系数谱曲线

表3 10 号坝段前20 阶反应谱β( T )值

3.2 闸墩位移结果与分析

10 号坝段闸墩位移峰值见表4。

表4 闸墩位移峰值mm

在静力与地震叠加的作用下，由于闸墩的横河向刚度较小，所以闸墩坝体沿坝轴线方向的水平位移受横河向地震的影响较为明显。10 号坝段闸墩最大位移发生在中墩顶端首部，最小位移发生在闸墩底部前侧，横河向位移峰值为28.994 mm，而其正常运行期横河向位移峰值为0.144 mm，最大不均匀变形值为28.643 mm。

在静力与地震叠加的作用下，静水压力、弧门推力沿顺河向分力和地震力是引起闸墩坝体顺河向水平位移的主要原因。其中，顺河向地震对闸墩坝体顺河向水平位移的影响较为明显。10 号坝段闸墩最大位移发生在中墩顶端首部，最小位移发生在闸墩底部前侧，顺河向位移峰值为22.130 mm，而其正常运行期横河向位移峰值为2.526 mm，增大了近9 倍，最大不均匀变形值为16.082 mm。

在静力与地震叠加的作用下，泄洪闸垂直向位移分布相对正常运行期有较大改变，体现了垂直向地震力对垂直向位移的影响。10号坝段闸墩垂直向位移均为正值（向上），最大位移发生在中墩顶端首部，峰值为7.356 mm，而其正常运行期横河向位移峰值为4.195 mm，最大不均匀变形值为6.311 mm，最小位移发生在闸室底板底部中心附近。

3.3 闸墩应力结果与分析

预应力锚块应力峰值见表5。锚块部位混凝土应力分布具有明显的局部特征。地震力对锚块混凝土应力的影响不大，主要是对锚块沿主锚方向正应力产生的影响。在静力工况中，锚块混凝土沿主锚方向拉应力的峰值均在2 MPa 以下，而且作用范围很小。在静力和地震组合工况下，大部分区域拉应力在混凝土抗拉强度标准值之内，只在锚块与闸墩立面交界面靠近弧门支铰处有超过混凝土抗拉强度标准值的小范围区域，不过影响范围很小，不超过0.5 m。地震工况下，锚块弧门推力向压应力峰值和横河向压应力峰值最大，分别达-17.85 MPa 和-9.78 MPa。

表5 锚块应力峰值MPa

由于在计算时，没有模拟主、次锚锚头垫块以及钢垫块，所以在弧门支座处附近出现了较大的局部拉应力，但作用范围很小，这在实际结构中是不会出现的。在主、次锚锚头与锚块的接触部位出现了较大的压应力，但基本上都在混凝土设计轴心抗压强度fc=21.5 MPa 以内。

4 结语

上文主要采用有限元方法，对预应力闸墩结构进行了动力分析研究，分析了在动水压力的影响下泄洪闸的自振特性，采用反应谱法得到了泄洪闸结构的动力响应。总结起来得到以下结论：

1）在ABAQUS 分析平台上，利用用户子程序UEL 成功地开发了4 节点单自由度用户单元来实现动水压力对坝体的动力影响。在此基础上讨论了动水压力附加质量对计算模型自振特性的影响，得到了泄洪闸结构前20阶频率与反应谱表。

2）在地震的作用下，泄洪闸各主要部位的位移符合一般规律。与静力工况相比，均有明显的增幅。其中，对泄洪闸的横河向位移和顺河向位移影响显著；泄洪闸出现了垂直正向的位移。

3）在地震的作用下，泄洪闸各主要部位的应力符合一般规律。与静力工况相比，闸墩的高拉应力区依然发生在颈部、尾部、平孔周边等关键部位。