蒲石河水库预应力闸墩模型受力状态研究

温中华，闫 飞，解 伟

（1.华北水利水电学院土木与交通学院，郑州 450011；2.河南省农业科学院，郑州 450002）

蒲石河水库预应力闸墩模型受力状态研究

温中华1，闫 飞2，解 伟1

（1.华北水利水电学院土木与交通学院，郑州 450011；2.河南省农业科学院，郑州 450002）

由于蒲石河抽水蓄能电站闸前水位较高，水推力大，传统的钢筋混凝土结构不能满足强度和刚度方面的要求。针对这个特点，建立预应力空腔式锚块闸墩模型来模拟闸墩在几种工况下的应力，并对结果进行了详细分析。结果显示计算模型可以真实地反映物理模型的应力应变状态。计算结果为蒲石河抽水蓄能电站预应力闸墩设计及施工提供了重要的依据。

预应力锚束；闸墩模型；空腔式锚块；有限元；应力

随着计算机技术的迅速发展，三维有限元分析技术在大型结构的设计中所起的作用越来越重要，成为设计的重要辅助手段，并且三维有限元分析技术有传统的模型试验不可比拟的可重复性、经济性等优点，所以在蒲石河抽水蓄能电站下水库泄洪排沙闸预应力闸墩中墩模型试验时，进行了大量的模型三维有限元计算分析，以配合补充模型试验结果。

1 闸墩的有限元计算模型

1.1 有限元模型建立、剖分

有限元计算模型严格参照模型试验设计建立，模型部分横河向以闸墩底边轴线为对称轴，两边各取9 m，顺河取闸墩的实际长度43.5 m，模型为实际尺寸的1／10。其细部结构见参考文献［1］，并进行有限元网格剖分［1～3］。模型有限元计算模型共剖分近67 000个单元（见图1）。

图1 蒲石河抽水蓄能电站预应力闸墩模型试验模型有限元剖分图Fig.1 The finite element of prestressed piermodel of Pushi River Pumped Storage Power Station

1.2 材料计算参数

计算参数按照《水工混凝土结构设计规范SL／T 191-96》［4］与《水工建筑物荷载设计规范DL 5077-1997》［5］中规定的C40混凝土的指标选取，结果见表1。

表1 材料参数Table 1 Thematerial parameters

1.3 模型计算基本假定

（1）闸室混凝土及基础结构材料符合小变形情况下的线弹性基本假定，即按线弹性理论进行结构体有限元计算分析。

（2）弧门推力，预应力锚束力参照模型试验方法按照集中力进行模拟，附加自重按照均布力进行模拟。

1.4 结构坐标系

模型的建立采用整体直角坐标系，顺水流向为x轴，水平指向下游为正；竖直方向为y轴，竖直向上为正；垂直水流向为z轴，正向由右手螺旋法则确定。

1.5 边界条件假定

根据模型试验的实际情况，取堰体底面为固定端，其余结构面均为自由面。为提高预应力锚束的预压效果，需在锚块底部与闸墩接触部位设置弹性垫层。锚块底部与闸墩采用隔离方式，二者之间不传递拉应力［6］。

1.6 计算工况及荷载组合

根据模型试验研究方案，模型计算考虑的荷载和计算工况如下：

（1）施工期荷载组合（工况一）。结构自重+主锚束张拉力（张拉吨位）+次锚束张拉力（张拉吨位）。

（2）双侧关门——对称荷载（工况二）。结构自重+双侧弧门推力+主锚束张拉力（永存吨位）+次锚束张拉力（永存吨位）。

（3）一侧开门一侧关门——非对称荷载（工况三）。结构自重+单侧弧门推力+主锚束张拉力（永存吨位）+次锚束张拉力（永存吨位）+侧向过水压力。

其中加载荷载数值为：①结构附加自重根据计算为1 280 kN；②单侧弧门推力为170 kN；③主锚束张拉力为70 kN；④次锚束张拉力为38.3 kN；⑤单侧过水力见表2。

表2 模型侧向水压力计算数值和形心点位置Table 2 Lateral water pressure calculated data and centroid locations in model

2 计算结果及分析

2.1 施工期工况计算结果及分析

由图2、图3可以看出，施加预应力后，锚块部位受力较复杂，在主次锚束共同作用下，锚块空腔上下游均产生较大的拉应力。最大拉应力位于空腔下游跨中边缘处，其中空腔中间部位受较大拉应力，最大拉应力，即第一主应力最大值约4 MPa，空腔中间处z＇向正应力最大值为2.46 MPa。

图2 施工期工况下锚块应力分布图Fig.2 The stress distribution graphs of the anchor block during the construction period（unit in Pa）

2.2 双侧关门荷载作用下计算结果及分析

图4、图5为双侧关门荷载作用下颈部及锚块的计算结果。由图可以看出：在对称荷载作用下，闸墩颈部拉应力呈扇形分布，最大正应力发生在锚块与闸墩颈部结合处的中间位置，随着距锚块距离的增大，拉应力也逐渐减小。闸墩除了在颈部出现较小范围的拉应力区外，其余仍基本处于压应力区。

图3 施工期工况下颈部应力分布图Fig.3 The stress distribution graph of under the construction period the neck（unit in Pa）

图4 双侧关门荷载作用下锚块应力分布图Fig.4 The first principal normal stress distribution graph of load anchor block the with double-side closed-gate（unit in Pa）

图5 双侧关门荷载作用下颈部应力分布图Fig.5 The principal normal stress distribution graphs of the neck the with double-side closed-gate（unit in Pa）

2.3 单侧关门荷载作用下计算结果及分析

图6、图7为单侧关门荷载作用下颈部及锚块的主应力计算结果。由图可以看出：在不对称的荷载作用下，闸墩及锚块部分应力分布明显不对称。关门侧闸墩颈部出现拉应力区，过水侧出现压应力区；在关门侧的闸墩颈部产生较大的拉应力，拉应力最大值出现在闸墩颈部与锚块交界处中间偏下的位置，正应力数值为1.8 MPa。相应主拉应力2.1 MPa，随着距锚块距离的增加闸墩颈部拉应力明显呈减小的趋势。虽然此种工况下正应力最大值较大，但范围较小；颈部拉应力在z向递减迅速，最大拉应力基本上只出现在闸墩表面。

图6 单侧关门荷载作用下锚块应力分布图（Pa）Fig.6 The stress distribution graphs of the anchor block with one side closed-gate（unit in Pa）

图7 单侧关门荷载作用下颈部应力分布图（Pa）Fig.7 The stress distribution graphs of the neck with one side closed-gate（unit in Pa）

3 结 论

由以上计算结果可得出如下结论：

（1）由于预应力筋的采用对闸墩颈部的受力较有利，此部位在3种工况下虽有较大应力出现，但一般在结构允许的范围之内或是作用范围较小，对结构整体影响不大；

（2）由于空腔式锚块的采用，在以上工况下虽出现较大拉应力，但由于空腔的回填拉应力将大大减小［8］。

本项目的研究计算成果为预应力闸墩的结构配筋提供参考，为新型预应力闸墩和空腔式锚块的设计提供了理论依据。

［1］ 解 伟.蒲石河抽水蓄能电站下水库泄洪排沙闸预应力闸墩结构模型试验研究报告［R］.郑州：华北水利水电学院，2008.

［2］ 宋 勇.精通ANSYS7.0有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［3］ 张朝晖.ANSYS工程应用范例入门与提高［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［4］ 谭建国.使用ANSYS6.0进行有限元分析［M］.北京：北京大学出版社，2002.

［5］ SL／T 191-96，水工混凝土结构设计规范［S］.

［6］ DL 5077-1997，水工建筑物荷载设计规范［S］.

［7］ 夏世法.尼尔基水利枢纽预应力闸墩有限元计算研究报告［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2003.

［8］ 张家宏.蒲石河抽水蓄能电站下水库泄洪排沙闸预应力闸墩有限元计算研究报告［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2006.

（编辑：周晓雁）

Force State Investigation about Prestressed Pier model of Pushi River Pumped Storage Power Station

WEN Zhong-hua1，YAN Fei2，XIEWei1
（1.North China University ofWater Conservancy and Electric Power，Zhengzhou 450011，China；2.Henan Academy of Agricultural Sciences，Zhengzhou 450002，China）

Because of the high water level and the bigwater pressure of the Pushi River Pumped Storage Power Station，traditional ferroconcrete structure couldn’t statisfy the need of intensity and rigidity.The article establishes a prestressed hollow anchor block piermodel simulating the stress of the pier with severalworking conditions and analyses the result in detail；the calculatingmodel really reflects the state of stress and strain about physicalmodel，so the computed result can provide important basis of the design and construction of prestressed pier of the Pushi River Pumped Storage Power Station.

prestressed anchorage cable；piermodel；hollow anchor block；finite element；stress

TV662.2

B

1001-5485（2009）08-0073-03

2009-04-01；

2009-04-27

华北水利水电学院青年科研基金（HSQJ2008003）

温中华（1972-）女，河南西平人，讲师，主要从事水工结构可靠度教学与研究，（电话）13938488060（电子信箱）wzhzhonghua＠126.com。